Dynamique Des Éruptions Pliniennes : Réévaluation De L'aléa Volcanique En Martinique
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Université de Paris Ecole doctorale STEP’UP – ED n° 560 Institut de Physique du Globe de Paris Dynamique des éruptions pliniennes : réévaluation de l’aléa volcanique en Martinique Par Audrey Michaud-Dubuy Thèse de doctorat de Sciences de la Terre et de l’Environnement Dirigée par Edouard Kaminski Présentée et soutenue publiquement le 18 décembre 2019 Devant un jury composé de : Costanza Bonadonna, Professor, Université de Genève, rapportrice Tomaso Esposti Ongaro, Assistant Professor, INGV Pisa, rapporteur Anne Le Friant, Directrice de recherche, Université de Paris, examinatrice Hélène Balcone-Boissard, Maître de conférences, Sorbonne Université, examinatrice Edouard Kaminski, Professeur, Université de Paris, directeur de thèse Guillaume Carazzo, Physicien-adjoint, Université de Paris, co-encadrant de thèse THÈSE de DOCTORAT de l’UNIVERSITÉ DE PARIS Spécialité : Sciences de la Terre et de l’Environnement présentée par Audrey MICHAUD-DUBUY pour obtenir le titre de DOCTEURE DE L’UNIVERSITÉ DE PARIS Sujet de la thèse : Dynamique des éruptions pliniennes : réévaluation de l’aléa volcanique en Martinique Soutenue le 18 décembre 2019, devant le jury composé de Costanza BONADONNA . Rapportrice Tomaso ESPOSTI ONGARO . Rapporteur Hélène BALCONE-BOISSARD . Examinatrice Anne LE FRIANT . Examinatrice Edouard KAMINSKI . Directeur de thèse Guillaume CARAZZO . Co-encadrant de thèse Équipe de Dynamique des Fluides Géologiques Institut de Physique du Globe de Paris 1, rue Jussieu - 75005 Paris v Mais un jour la terre s’ouvre Et le volcan n’en peut plus Le sol se rompt On découvre des richesses inconnues La mer à son tour divague De violence inemployée Me voilà comme une vague Vous ne serez pas noyés Une sorcière comme les autres - Anne Sylvestre vii Remerciements Un immense merci tout d’abord à Guillaume Carazzo et Edouard Kaminski, mes directeurs de thèse, pour m’avoir proposé ce formidable sujet qui me permettait de revenir vers la Pelée, mon volcan favori. J’ai énormément appris auprès de vous pendant ces trois ans, du perfectionnement des méthodes scientifiques à la façon de présenter mes résultats comme si l’on racontait une histoire. Merci de m’avoir fait confiance, à moi, une géologue pure, et de m’avoir appris à pleinement apprécier la physique. Je remercie également les membres de mon jury de thèse : Costanza Bonadonna, Tomaso Esposti Ongaro, Hélène Balcone-Boissard et Anne Le Friant pour avoir accepté de juger mon travail et pour notre discussion très enrichissante durant la soutenance de thèse. Merci de votre disponibilité, de votre bienveillance, et de vos compliments. J’adresse mes remerciements les plus chaleureux aux membres de mon comité de thèse, Hélène Balcone-Boissard, Georges Boudon et Anne Mangeney, pour vos précieux conseils et avis prodigués tout au long de ma thèse. Un grand merci à Steve Tait, Frédéric Girault, Guillaume Le Hir et Frédéric Fluteau pour nos collaborations fructueuses, et pour votre aide dans la rédaction de mes tous premiers articles scientifiques. Je suis évidemment extrêmement reconnaissante à toute l’équipe (passée et présente) de l’Observatoire Volcanologique et Sismologique de la Martinique. Vous m’avez toujours accueillie à bras ouverts, tant en tant que stagiaire de master qu’en tant que thésarde. C’est en partie grâce à vous que j’ai eu le désir de revenir sur la Pelée, et de continuer à mieux la connaître. Un grand merci. Un merci spécial à Ulrich Küppers, pour une super mission de terrain ensemble à la Martinique et pour m’avoir invitée à visiter le laboratoire de Munich et voir de jolies ex- plosions de ponces ! Merci beaucoup à Olivier Roche, Julia Eychenne, et Maud Devès pour votre implication dans mon travail. Un immense merci à toute l’équipe de Dynamique des Fluides Géologiques de l’IPGP, pour votre accueil et votre soutien durant ces trois années. Un merci spécial aux doctorants de l’équipe pour nos pauses cafés, thé, rhum, gâteaux et Mario Kart. Bien sûr, je remercie plus que tout ma super co-bureau, Alexandra Morand, sans qui ces trois ans n’auraient pas du tout été aussi agréables. Merci d’être une super amie (et cat-sitter !). Et tu feras attention, il y a kraken sous phytoplancton. J’adresse un grand grand merci à toute l’équipe de Sciences de la Terre du Palais de la Découverte : Arnaud Lemaistre, Olivier Coulon, Vincent Pasquero, Emmanuelle Lambert, Monica Rotaru, et Nathalie Berthier. J’ai énormément appris auprès de vous pendant les deux ans de mission au Palais, je crois même que j’ai guéri ma phobie de parler en public ! J’étends ces remerciements aux super coachs des Jeunes Chercheurs, Aurélie Massaux, Véronique Polonovski, et Ludovic Fournier, ainsi qu’à mes compères doctorant.e.s/jeunes chercheur.e.s, Lucie Barbier, Alexis Dollion, Marine Martin-Lagarde, Pierre Trinh, et Laeti- tia Zaleski. Cette aventure des Jeunes Chercheurs a été fantastique et très gratifiante, et c’est grâce à vous tous. Les apéros que l’on continue de faire sont également un super bonus ;) Cela a été une vraie chance d’évoluer auprès de passionné.e.s de Sciences et de médiation tels que vous tous, un grand merci. À mes wonderwomen, toutes exceptionnelles, Lorella, Caro, Alicia, Laurie, Aude, Hélène, Stéph, et encore une fois Alex ; et encore plus spécialement à mes soeurs de coeur, Orianne viii et Violaine, qui sont auprès de moi depuis plus de 25 ans : que vous dire à part un im- mense, profond, et ému MERCI. Vous toutes savez ce que représentait pour moi de devenir volcanologue, et votre soutien depuis toutes ces années a toujours été un vrai moteur pour aller dans cette direction. Plein de coeurs sur vous <3. Evidemment, je remercie aussi mes supermen, Brice (BroMo) et Nico, ainsi que Batman (aussi appelé Matthieu). À toute ma famille, un grand grand merci pour votre soutien depuis toujours. J’ai une pensée spéciale pour Juliane, ma cousine chérie, Guillaume, et ma petite filleule Lena ainsi que son frère, passionné de volcans aussi, Loris. J’espère aller me balader sur un volcan avec vous bientôt ! Je remercie du fond du coeur Ghislaine et Didier Champion (ainsi que Guillaume, Violaine et Philippe bien sûr), pour m’avoir fait aimer les cailloux depuis mon tout jeune âge, pour m’avoir emmenée sur des volcans, pour m’avoir hébergée au début de ma thèse, pour votre soutien inconditionnel et vos cocottes en papier. Un merci spécial à Lucile et Emma, pour votre soutien, nos conversations Harry Potter et pour la tour Eiffeeell ! Et évidemment, plus que tout, et avec une grande émotion, un immense, immense, (...), immense merci à ma mamie Pierrette, mon papa et ma maman. Sans vous, rien de tout ça n’aurait été possible, vous m’avez portée depuis ma naissance, encouragée, supportée, et pour vous il a toujours été évident que je réussirai à réaliser mon rêve de volcans. Merci de votre soutien, de votre confiance, de votre amour, je vous dois tout. Je vous aime. Je n’oublie pas mon petit chaton, merci à mon GGadji, pour la patachonnerie et la ronronthérapie. La maison est où tu es. Et merci aux autres petits loulous, Sok et Dew. Je remercie enfin tous ceux qui m’ont encouragée, de près ou de loin, qu’ils soient encore là ou pas. Je dédie cette thèse à mes grands-parents : Daie, Papy Robert, et Mamie Emma. Je pense à vous chaque jour. ix Résumé Les panaches volcaniques produits par les éruptions explosives représentent un aléa majeur dans les zones à proximité de volcans. Les modèles physiques développés ces quarante dernières années ont eu pour but de mieux comprendre ces éruptions et de quantifier les aléas associés. Les tests de robustesse de ces modèles prédictifs doivent reposer sur des données de terrain précises et détaillées sur les éruptions passées des volcans actifs. Nous proposons dans cette thèse de revisiter l’histoire éruptive plinienne de la montagne Pelée en Martinique (Petites Antilles) sur les vingt-quatre derniers milliers d’années. Nos résultats combinant travaux de terrain et datations au 14C nous permettent d’établir une nouvelle chronologie des éruptions passées en accord avec les observations réalisées sur un carottage des fonds sous-marins. Nous reconstruisons par la suite l’évolution dynamique des éruptions nouvellement découvertes de Bellefontaine (13 516 ans cal A.P.), Balisier (14 072 cal A.P.), Carbet (18 711 cal A.P.) et Étoile (21 450 cal A.P.) dont le grand intérêt réside dans leur axe de dispersion vers le sud, inhabituel et englobant des zones considérées comme sécurisées sur les cartes d’aléa actuelles. Les fortes similitudes observées entre toutes les éruptions pliniennes documentées de la montagne Pelée permettent de dresser un portrait du scénario éruptif le plus susceptible de se produire dans le futur. Ce scénario pouvant inclure un effondrement de la colonne éruptive et la production de coulées de densité pyroclastiques, nous modifions un modèle physique 1D de panache volcanique afin d’en améliorer les prédictions. Nous étudions dans un premier temps l’impact de la distribution de taille des fragments volcaniques sur la transition d’une colonne plinienne stable àunefontaineeneffondrement. L’effet du vent est ensuite pris en compte grâce à des expériences en laboratoire inédites permettant de simuler des jets turbulents se formant dans un environnement soumis au vent. Nous proposons ainsi un nouveau modèle théorique validé par les expériences qui remet en cohérence les données de plusieurs éruptions pliniennes historiques majeures. Nous étudions ensuite la dispersion des cendres volcaniques lors des éruptions de Bellefontaine et Balisier àl’aided’unmodèlephysique2Dpourcomprendrel’originedeleurdirectionpréférentielleversle sud, et donc vers Fort-de-France, chef-lieu de la Martinique. Nos résultats permettent d’identifier des contextes atmosphériques particuliers durant lesquels le trajet du “jet-stream” subtropical est modifié, produisant alors des vents venant du nord sur la Martinique et pouvant disperser des cendres volcaniques sur les zones les plus peuplées.