Instruments Volcanologie numérique

Volcanologie numérique

L’équipe de volcanologie dispose d’outils de simulation numérique, dont certains ont été développés au laboratoire : code VolcFlow pour la modélisation d’écoulements volcaniques, modèles de déformation et transferts de magmas par éléments frontières et domaines fictifs. Cette activité s’appuie en partie sur la plateforme de calcul numérique.

Responsable technique : Thierry Souriot
  • Contact : Valérie Cayol

    Afin de suivre les transferts de magma et de déterminer leur influence sur la stabilité des édifices volcaniques, nous analysons les déformations de volcans, mesurées par Interférométrie radar (OI2), en combinant des modèles par éléments frontières (Cayol et Cornet, 1998) ou domaine fictifs (Bodart et al., 2015) avec des inversions (Fukushima et al., 2015). Les modèles éléments frontières sont tri-dimensionnels et supposent le milieu rocheux élastique et homogène. Ces modèles prennent en compte la topographie, et toutes sortes de sources, qu’elles soient de type réservoir ou fractures (failles ou intrusions de magma). Pour la prise en compte de fractures situées milieu anisotrope et hétérogène, nous développons actuellement une méthode d’éléments finis basée sur une approche par domaines fictifs.

    Exemple de modélisation : modèles obtenus à partir d’interférogrammes RADARSAT-1 pour les éruptions de Piton de la Fournaise survenues entre 1998 et juin 2000 (adapté de Fukushima et al., JGR, 2010).

    interfero

    Principales publications :

    Wauthier, C., V. Cayol, B. Smets, N. d’Oreye, F. Kervyn, Magma pathways and their interactions inferred from InSAR and stress modeling at Nyamulagira Volcano, D.R. Congo, accepté à Remote Sensing, 2015.

    Bodart O., V. Cayol, S. Court, J. Koko (2014), Fictituous domain method for fracture models in elasticity, Proceedings of the 18th European Conference on Mathematics for Industry.

    V. Cayol, T. Catry, L. Michon, M. Chaput, V. Famin, O. Bodart, J. L. Froger, C. Romagnoli (2014), Sheared sheet intrusions as mechanism for lateral flank displacement on basaltic volcanoes: Application to Réunion Island volcanoes, J. Geophys. Res., 119, doi:10.1002/2014JB011139.

    Wauthier C., V. Cayol, M. Poland, F. Kervyn, N. d’Oreye, A. Hooper, S. Samsonov, K. Tiampo, B. Smets, Nyamulagira’s Magma Plumbing System Inferred from 15 Years of InSAR, Geol. Soc. London Special Publications: Remote Sensing of Volcanoes and Volcanic Processes: Integrating Observation and Modelling, 380, doi:10.1144/SP380.9, 2013.

    Wauthier, C., V. Cayol, F. Kervyn and N. d’Oreye, Magma sources involved in the 2002 Nyiragongo eruption, as inferred from an InSAR analysis, J. Geophys. Res., 117, doi:10.1029/2011JB008257, 2012.

    Fukushima, Y., V. Cayol, P. Durand, and D. Massonnet, Evolution of magma conduits during the 1998–2000 eruptions of Piton de la Fournaise volcano, Réunion Island, J. Geophys. Res., 115, B10204, doi:10.1029/2009JB007023, 2010.

    Green, D. N., J. Neuberg, and V. Cayol, Shear stress along the conduit wall as a plausible source of tilt at Soufrière Hills volcano, Montserrat, Geophys. Res. Lett., 33, L10306, doi:10.1029/2006GL025890, 2006.

    Fukushima, Y., Cayol, V., & Durand, P. (2005). Finding realistic dike models from interferometric synthetic aperture radar data: The February 2000 eruption at Piton de la Fournaise. Journal of Geophysical Research – Solid Earth 110(B3).

    Cayol, V., J. Dieterich., A. Okamura et A. Miklius, High Magma Storage Rates Before the 1983 Eruption of Kilauea, Hawaii, Science, 288, 2343-2346, 2000.

    Cayol, V. and F.H. Cornet, Effect of Topography on the interpretation of the deformation field of prominent volcanoes – Application to Etna, Geophys. Res. Let., 25, 1979-1982, 1998.

    Cayol, V., & Cornet, F. H. (1998). Three‐dimensional modeling of the 1983–1984 eruption at Piton de la Fournaise Volcano, Réunion Island. Journal of Geophysical Research – Solid Earth 103(B8), 18025-18037.

    Cayol, V., et F. H. Cornet, 3D Mixed Boundary Elements for Elastic Deformation Field Analysis, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 34, 275-287, 1997.

  • Contact : Karim Kelfoun

    Simulations d’écoulements volcaniques: avalanches de débris, écoulements pyroclastiques, lahars.

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    Exemples de simulations : avalanche de débris du Socompa  (Chili, à gauche) et écoulement pyroclastique dilué (surge) au Merapi (Indonésie, à droite), réalisés avec VolcFlow.

    Principales publications :

    Kelfoun K.  and S. Vallejo Vargas, 2015.  VolcFlow capabilities and potential development for the simulation of lava flows. Testing a GIS for damage and evacuation assessment during an effusive crisis. In: Harris, A., De Groeve, T., Garel, F., & Carn, S.A. (eds) Detecting, Modelling and Responding to Effusive Eruptions. Geological Society, London, Special Publications, 426.

    Kelfoun K., 2011. Suitability of simple rheological laws for the numerical simulation of dense pyroclastic flows and long-runout volcanic avalanches. Journal of Geophysical Research – Solid Earth B007622.

    Kelfoun K., P. Samaniego, P. Palacios, D. Barba, 2009. Testing the suitability of frictional behaviour for pyroclastic flow simulation by comparison with a well-constrained eruption at Tungurahua volcano (Ecuador). Bulletin of Volcanology, 71(9), 1057-1075.

    Kelfoun K. and T.H. Druitt, 2005. Numerical modelling of the emplacement of the 7500 BP Socompa rock avalanche, Chile. Journal of Geophysical Research B12202.

    PAGE WEB VOLCFLOW

  • Contact : Raphael Paris

    Modélisation numérique de tsunamis d’origine éruptive et volcano-gravitaire

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    Simulation d’un effondrement de flanc de volcan et tsunami à Tenerife (Iles Canaries). Réalisé avec VolcFlow.

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    Simulation de coulées pyroclastiques et tsunami du volcan sous-marin Kolumbo (Mer Egée). Réalisé avec COMCOT-FIREWAVES.

    Simulation d’explosion et tsunami dans le Lac Karymsky, Kamchatka. Réalisé avec COMCOT-FIREWAVES.

       

    Simulation de tsunami généré par un effondrement de flanc de l’Anak Krakatau (Indonésie). Réalisé avec VolcFlow.

     

    Principales publications:

    Paris, R., Ulvrova, M., Selva, J., Brizuela, B., Costa, A., Grezio, A., Lorito, S., Tonini, R., 2019. Probabilistic hazard analysis for tsunamis generated by subaqueous volcanic explosions in the Campi Flegrei caldera, Italy. Journal of Volcanology and Geothermal Research 379, 106-116.

    Paris, R., Ulvrova, M., 2019. Tsunamis generated by subaqueous volcanic explosions in Taal Caldera Lake, Philippines. Bulletin of Volcanology 81, 14.

    Ulvrova, M., Paris, R., Nomikou, P., Kelfoun, K., Leibrandt, S., Tappin, D.R., McCoy, F.W., 2016. Source of the tsunami generated by the 1650 AD eruption of Kolumbo submarine volcano (Aegean Sea, Greece). Journal of Volcanology and Geothermal Research 321, 125-139.

    Ulvrová, M., Paris, R., Kelfoun, K., Nomikou, P., 2014. Numerical simulations of tsunami generated by underwater volcanic explosions at Karymskoye Lake (Kamchatka, Russia) and Kolumbo volcano (Aegean Sea, Greece). Natural Hazards and Earth System Sciences 14, 401-412.

    Ontowirjo, B., Paris, R., Mano, A., 2013. Modeling of coastal erosion and sediment deposition during the 2004 Indian Ocean tsunami in Lhok Nga, Sumatra, Indonesia. Natural Hazards 65, 1967-1979.

    Giachetti, T., Paris, R., Kelfoun, K., Ontowirjo, B., 2012. Tsunami hazard related to a flank collapse of Anak Krakatau Volcano, Sunda Strait, Indonesia. Geological Society, London, Special Publications 361, 79-90.

    Paris, R., Giachetti, T., Chevalier, J., Guillou, H., Frank, N., 2011. Tsunami deposits in Santiago Island (Cape Verde archipelago) as possible evidence of a massive flank failure of Fogo volcano. Sedimentary Geology 239, 129-145.

    Giachetti, T., Paris, R., Kelfoun, K., Pérez Torrado, F.J., 2011. Numerical modelling of the tsunami triggered by the Güìmar debris avalanche, Tenerife (Canary Islands): comparison with field-based data. Marine Geology 284, 189-202.

    Kelfoun, K., Giachetti, T., Labazuy, P., 2010. Landslide-generated tsunamis at Reunion Island. Journal of Geophysical Research, F04012.

    Torsvik, T., Paris, R., Didenkulova, I., Pelinovsky, E., Belousov, A., Belousova, M., 2010. Numerical simulation of explosive tsunami wave generation and propagation in Karymskoye Lake, Russia. Natural Hazards and Earth System Sciences 10 (11), 2359-2369.

  • Contact : Julien Monteux

    Modélisation numérique avec le logiciel COMSOL.

    L’interférométrie radar (InSAR) révèle un nombre croissant d’édifices et de complexes volcaniques présentant des déplacements de surface importants, maintenus sur de nombreuses années, et qui suggèrent un stockage de magma en profondeur. L’interprétation de ces déplacements reste néanmoins complexe, et on ne sait toujours pas distinguer les déplacements qui peuvent précéder une éruption de ceux qui ne traduisent qu’une accumulation bénigne de magma. L’une des énigmes à résoudre concerne la façon dont le magma s’accumule dans une région de la croûte et comment cette accumulation magmatique affecte la rhéologie de la croûte et la déforme au cours du temps. Cette question est au cœur du projet ClerVolc « Probing the mechanics governing the growth, evolution and eruption of large silicic magma bodies » qui a débuté au printemps 2016 avec le postdoctorat de Nicolas Le Corvec. À l’aide de COMSOL Multiphysics et du module Structural Mechanics, l’équipe met au point un protocole numérique permettant le contrôle de COMSOL via Matlab utilisant le module Matlab Livelink pour simuler la croissance d’un corps magmatique par accrétion intermittente de sills. Le module Heat Transfert sera ensuite incorporé pour modéliser l’évolution rhéologique des roches autour des sills et déterminer les déformations engendrées en surface au cours du temps ainsi que le point de rupture du système, c.-à-d. si et quand une éruption peut avoir lieu.

     

    Sketch of a maar-diatreme eruption and formation of the magmatic plumbing system (from Le Corverc et al., 2018). a The proto-diatreme (aka excavation stage) and b developing diatreme (aka infilling stage). The colored arrows represent the orientation of the minimum compressional stress (σ3), the blue and red colors represent the differential tectonic stress, extensional and compressional, respectively.

     

    Une autre difficulté dans l’interprétation des mesures InSAR est l’accumulation rapide de laves sur les flancs des édifices volcaniques. C’est le cas au Piton de la Fournaise à la Réunion. Les mesures InSAR montrent un déplacement important du flanc Est depuis 2007 et donc le potentiel pour un effondrement de flanc catastrophique, comme cela est déjà arrivé plusieurs fois au cours de son histoire. Cependant, la mise en place répétée de laves sur ce flanc depuis plus de 20 ans et leur compaction suite à leur refroidissement contribuent de manière significative aux déplacements mesurés par InSAR, et il est difficile pour le moment de faire la part des différents phénomènes et de caractériser précisément un éventuel glissement global du flanc Est. Alexis Hrysiewicz quantifie actuellement le plus précisément possible les coulés de laves émises depuis le début des années 1980. Il cherchera ensuite à relier leurs caractéristiques aux déplacements mesurés et à modéliser leur compaction avec COMSOL Multiphysics, en prenant en compte leur refroidissement ainsi que la rhéologie du substratum.

     

    Principales publications:

    Zorn EU, Le Corvec N, Varley NR, Salzer JT, Walter TR, Navarro-Ochoa C, Vargas-Bracamontes DM, Thiele ST and Arámbula Mendoza R (2019) Load Stress Controls on Directional Lava Dome Growth at Volcán de Colima, Mexico. Front. Earth Sci. 7:84. doi: 10.3389/feart.2019.00084

    Le Corvec N., McGovern P.J. (2018). The effect of ocean loading on the growth of basaltic ocean island volcanoes and their magmatic plumbing system. Frontiers in Earth Science DOI:10.3389/feart.2018.00119.

    Le Corvec N., Muirhead J.D., White J.D.L. (2018). Shallow magma diversions during explosive diatreme-forming eruptions. Nature Communications vol.9, p.1459, DOI:10.1038/s41467-018-03865-x.

 

 

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