Sujet de thèse

Tsunamis générés par les effondrements de colonne éruptive : une approche expérimentale 🌊

(1) Problématique scientifique

Lors d’une éruption explosive, la colonne éruptive est formée d’un mélange de gaz et de fragments de magma (principalement de la taille des cendres) en suspension sous la forme d’un panache ascendant. La colonne peut ainsi s’élever verticalement sur plusieurs kilomètres et atteindre 40-50 km d’altitude dans le cas des plus fortes explosions (ex. Krakatau 1883, Pinatubo 1991, Hunga Tonga – Hunga A’Apai 2022). L’effondrement gravitaire de la colonne intervient après la phase inertielle, due à la vitesse initiale, si la colonne n’entraine pas suffisamment d’air ambiant et que le mélange devient plus dense que l’atmosphère (Woods, 1988; Carazzo et al., 2015). En conséquence, le mélange de gaz et de particules chute sous l’effet de la gravité. L’effondrement de la colonne est partiel et implique un volume de matériau croissant au cours du temps.

Dans le cas d’une éruption sous-marine à faible profondeur ou sur une petite île, l’effondrement de la colonne éruptive subaérienne devient une cause potentielle de tsunami. Dans le cas de l’éruption du Krakatau en 1883, le débat sur l’origine des différents tsunamis observés pendant le paroxysme éruptif fait notamment intervenir les écoulements pyroclastiques (Carey et al., 2000; Maeno et al., 2011 ; Paris et al., 2014), mais l’essentiel de l’effondrement de la colonne éruptive s’est effectué directement dans l’eau. Un tel mécanisme a récemment été évoqué pour expliquer le tsunami observé en champ proche suite à l’éruption du Hunga Tonga – Hunga Ha’apai (HTHH) en janvier 2022 (travaux en cours au LMV avec des collègues néo-zélandais). Le tsunami enregistré mondialement a été provoqué par la propagation des ondes atmosphériques (ondes de Lamb, e.g. Omira et al., 2022), mais le tsunami de 10-15 m observé sur les îles voisines du volcan ne peut être expliqué par ce mécanisme. Or, les heures d’arrivée du tsunami sur ces îles sont compatibles avec le moment de l’effondrement de la colonne éruptive. Ce constat est à l’origine de cette thèse.

(2) Objectifs

L’objectif principal est de comprendre les mécanismes physiques régissant la génération de tsunami par l’effondrement d’une colonne éruptive et l’entrée à la verticale de matériau granulaire dans l’eau. Notre approche repose sur un dispositif expérimental.  Il n’existe actuellement aucune étude sur l’entrée à la verticale dans l’eau d’un matériau granulaire après une phase de chute libre, aussi bien en Sciences de la Terre qu’en Mécanique des Fluides. Seules deux publications (Saingier et al., 2021 ; Sarlin et al., 2021) abordent l’effondrement d’une colonne granulaire directement dans l’eau, sans phase préalable de chute libre dans l’air.

Les principales questions qui se posent sont :

• Quelles sont les conditions requises pour qu’un effondrement de colonne éruptive devienne tsunamigénique ?
• Comment se comporte le matériau granulaire chutant à la verticale au moment de l’impact avec l’eau ?
• Un matériau polydisperse analogue au cas naturel conduit-il à une partition entre une partie dense entrant dans l’eau est une partie diluée se propageant à la surface ?
• Quels sont les principaux paramètres influençant la géométrie de la déformation initiale à la surface de l’eau ?
• Quels types de vagues sont générées ?

(3) Approche expérimentale

L’effondrement de la colonne éruptive est assimilé à une chute libre d’un matériau granulaire dans l’air. Le réservoir à particules est disposé au milieu du chenal. Les expériences sont filmées par deux caméras haute vitesse (250 fps), l’une centrée sur la zone d’impact, l’autre placée en aval pour enregistrer la propagation de la vague dans le chenal. Les algorithmes de traitement des images ont été développés lors de travaux précédents (scripts Matlab et ImageJ pour extraire des variables quantifiées et leur évolution dans le temps).

variations des paramètres :

• La taille et densité des particules (billes de verre ou de polystyrène), en lien avec la vitesse de la chute libre et la dynamique à l’impact avec l’eau.
• Le volume de matériau granulaire dans le réservoir et notamment son influence sur la durée de pénétration dans l’eau.
• La largeur du réservoir (et a fortiori la largeur de la colonne de matériau granulaire en chute libre), en lien avec la géométrie du cratère formé à la surface de l’eau.
• La concentration initiale en particules à la sortie du réservoir, en utilisant des grilles de maille variable en guise de filtre.
• La hauteur de la chute libre dans l’air (en variant la hauteur du réservoir au-dessus du chenal), qui aura également une influence sur la concentration en particules à l’impact.
• La hauteur d’eau dans le chenal et son influence sur la cinématique de propagation des vagues dans le chenal (via le rapport entre la profondeur d’eau et la longueur d’onde des vagues), mais aussi en lien avec le volume effondré et son potentiel tsunamigénique.
• Le relief subaquatique pour reproduire l’effet de la présence d’un édifice volcanique à faible profondeur.

Encadrement doctoral :

Raphaël Paris et Olivier Roche