modélisation et simulation d'une coulée de lave

Modélisation et simulation numérique de la mise en place d’une coulée de lave basaltique de l’Etna

Soutenance

Alix DE LA FOUCHARDIERECécile GRONDIN

Encadrants :Hervé LEYRIT Julien DUQUENNOY Arnaud COUTU Maxime DENIS

2022-2023

En quoi les méthodes numériques peuvent-elles intervenir dans la compréhension de la mise en place d'une coulée de lave et dans la prévention des risques volcaniques ?

Sommaire

01

02

03

04

Etape 1

Etape 3

Etape 2

Etape 4

Analyse de la coulée de 2001 via 3 méthodes numériques

Présentation géologique de l'Etna et de la coulée étudiée

Campagne de terrain

Présentation et interprétation des résultats

Présentation géologique de l'Etna et de la coulée étudiée

Présentation géologique de l'Etna

Contexte géodynamique régional de l’Etna

• Stratovolcan situé en Sicile
• Altitude : 3320 m (données de 2020)

• En moyenne, au cours des trois dernières décennies, une grande éruption effusive tous les deux ans
• Diamètre à la base : 50 km du nord au sud et 40 km d’est en ouest
• Dangerosité : élevée, plus de 700 000 personnes habitants sur ses flancs

Carte géologique de l’Etna à l’échelle 1 : 50 000, sa zone sommitale* et sa localisation (INGV, 2023 et DEL NEGRO et al., 2013)

Contexte local du volcanisme

• Plus de 300 cônes de scories monogéniques

• Répartition selon des rifts (nord-est, ouest et sud)

Distribution et orientation des fissures éruptives et des cônes pyroclastiques (points noirs) le long des zones de faiblesse principale de l'édifice volcanique, délimitées par les traits en pointillés (AZZARO et al., 2012)

Contexte local du volcanisme

• Cinq cratères sommitaux :

- Le cratère Nord-Est (NE) en 1911 - La Voragine (VO) en 1945 - La Bocca Nuova (BN) en 1968 - Le cratère Sud-Est (SE) en 1971 - Le nouveau cratère Sud-Est (NSE) en 2007

Carte d’élévation de la zone sommitale de l’Etna (NERI et al., 2017)

Carte de la zone sommitale de l'Etna réalisée sous ArcGIS Pro à partir du DEM de GANCI et al. (2019)

Contexte local du volcanisme

• Quatre types d’éruptions distinctes:

- Terminales - Subterminales - Latérales - Excentriques

• Formation de 2 types de dyke:

- Les dykes à propagation radiale - Les dykes périphériques

Carte réalisée sous ArcGIS Pro montrant les altitudes correspondant aux différents types d'éruptions

Schéma des différents types de conduits et les éruptions qui leurs sont associées (BEHNCKE et NERI, 2003)

Contexte géodynamique à l’origine de l’Etna

• Premières éruptions : entre 300 000 et 600 000 ans
• À proximité de la zone de subduction entre l'Eurasie et la plaque africaine

Contexte géodynamique et localisation de l'Etna. 1 : croûte continentale; 2 : marge continentale et fine croûte continentale; 3 : croûte océanique; ME : faille de Malte (KAHL et al. 2015)

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Contexte géodynamique à l’origine de l’Etna

• Le volcanisme de l’Etna proviendrait plus vraisemblablement d'un phénomène de roll-back

Schéma annoté du contexte géodynamique de l'Etna et des régions de l'arc éolien occidental (BARRECA et al., 2020)

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Localisation des chambres magmatiques

• Utilisation de méthodes géophysiques

Schéma synthétique des données sismiques récoltées entre 2005 et 2018, localisant les zones sismiques (CARLINO et al., 2022)

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Localisation des chambres magmatiques

• Etude de l'évolution des minéraux

Illustration schématique du mouvement du magma à travers différentes sections du système de plomberie de l'Etna entre 1991-2008 (KAHL et al. 2015)

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L'histoire de la formation de l’Etna

Schéma synthétique de la phase des basaltes tholéiitiques (de 300 000 à 150 000 ans) (KIEFFER, 1985)

Schéma synthétique de la phase du Timpe (entre 220 000 et 110 000 ans) (KIEFFER, 1985)

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Schéma synthétique de la phase des foyers éruptifs de la Valle del Bove (KIEFFER, 1985)

Schéma synthétique de la phase de strato-volcan (de 57 000 ans à maintenant) (KIEFFER, 1985)

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Les coulées de lave liées à l'éruption de l'été 2001

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Coupe transversale nord-sud idéalisée (pas à l'échelle) montrant le soulèvement central-latéral et excentrique du magma avant et pendant la période juillet-août 2001 éruption (LANZAFAME et al. 2003)

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Les coulées de lave liées à l'éruption de l'été 2001

• Eruption du 17 juillet au 8 août 2001

• Sept fissures éruptives orientées nord-sud

• Emission simultanée de deux types d’éruptions distinctes

Carte présentant les limites des coulées de lave (rouge), les fissures éruptives (jaune) et les cônes de scorie (bleu clair) de l’ensemble du champ de lave* placé entre juillet et août 2001 défini sur les orthophotos de post-rupture. Carte redessinée à partir de COLTELLI et al., 2003 (S. SCIFONI et al., 2010)

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Les facteurs contrôlant les coulées de lave

Évolution temporelle annotée de la coulée de lave de 2001 provenant de la fissure située à 2100 mètres d'altitude (COLTELLI et al., 2007)

Graphique présentant les taux d’épanchement relatifs aux principaux évents de l’éruption de 2001 (BEHNCKE B. et NERI M., 2003)

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Les facteurs intrinsèques et extrinsèques

Les facteurs intrinsèques

Les facteurs extrinsèques

Les facteurs intrinsèques sont les caractéristiques propres à la lave émise et qui vont influencer le comportement de la coulée. Ces facteurs sont la viscosité, le taux d’éruption, la vitesse d’écoulement, la densité, la chaleur spécifique, l’émissivité de la lave, la température de solidification et la température d’extrusion.

Les facteurs extrinsèques ne sont, quant à eux, pas en lien avec les propriétés des laves. Ils jouent un rôle sur le comportement des coulées. Les plus importants sont très certainement la topographie et la rugosité du terrain, qui auront un impact considérable sur l’écoulement de la lave.

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Campagne de terrain

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Excursion sur l'Etna au niveau de la fissure Sylvestri IV entre le 23 août et le 1er septembre 2022

Afin d’avoir une meilleure connaissance de la zone étudiée, une équipe de 8 scientifiques est partie en terrain sur l’Etna : - 3 étudiantes en Géosciences et Environnement - 1 volcanologue - 1 pilote de drone - 1 enseignant chercheur spécialisé en mathématiques numériques - 1 enseignant chercheur spécialisé en informatique - 1 ingénieur d’étude

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Délimitation de la zone d'étude

Mise en avant d'une zone analogue

Carte réalisée sur Google Earth présentant la zone d'étude (en vert) et la zone analogue choisie pour l'étude de la topographie antérieure à la coulée de 2001 (en orange)

Carte réalisée sur Google Earth présentant la zone d'étude située entre le cratère à 2100 m et le cratère Silvertri. Les cratères sont en jaune, les limites de la zone d'étude est en rouge

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Mise en place de différents protocoles de terrain

Analyse du point de sortie

Délimitation de la zone d'étude

Analyse de la mise en place de la coulée

Acquisition de photos aériennes

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Analyse du point de sortie

Carte présentant l'alignement de cratères au niveau du point de sortie de la lave situé à 2100 m d'altitude lors de l'éruption de l'été 2001

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Travail de photogrammétrie sur le terrain

Carte réalisée sur Google Earth localisant les cibles placées sur la partie avale de la zone d'étude de la coulée de 2001

Carte réalisée sur Google Earth localisant les cibles placées sur la partie amont de la zone d'étude de la coulée de 2001

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Etude et analyse des résultats via 3 méthodes numériques

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Etude et analyse des résultats via des méthodes numériques

Travail de photogramétrie

Simulation numérique

AgiSoft Metashape

XFlow

Modélisation en trois dimensions

CATIA

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Travail de photogrammétrie

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Objectifs

Traitements photogrammétriques d’images numériques obtenues lors de la campagne de terrain. Le résultat attendu est un nuage de points, permettant, par la suite, d’effectuer de la modélisation 3D.

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Différentes étapes de la réalisation d'un MNT texturé sous Agisoft Metashape de la zone de la coulée étudiée. (1) Tie Point ; (2) Dense cloud ; (3) Maillage ; (4) Modèle texturé (5) Modèle texturé géoréférencé avec les markers

Différentes étapes de la réalisation d'un MNT texturé sous Agisoft Metashape de la zone analogue choisie. (1) Tie Point ; (2) Dense cloud ; (3) Maillage ; (4) Modèle texturé (5) Modèle texturé géoréférencé avec les markers

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Modélisation en 3D

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Objectifs

Création de modèles modèles 3D ayant la forme d’une boite fermée contenant : - la topographie antérieure à la coulée de 2001 - la topographie de la zone analogue

Schéma du modèle à créer pour réaliser le modèle 3D comportant la topographie de pré-éruption et la cheminée (entrée fluide)

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Surface automatique générée sur CATIA de la topographie sans l’épaisseur de la coulée de 2001 de la zone d’étude

Surface automatique générée sur CATIA de la topographie de la zone analogue

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Simulation numérique

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Objectif

Simulation numérique de la coulée de lave de l'été 2001 sur le modèle CATIA créé, représentant la topographie antérieure à l'éruption de 2001.

Interface graphique du logiciel XFlow présentant un modèle CATIA importé

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Le modèle de viscosité de Herschel-Bulkley

Il s’agit d’un modèle de viscosité utilisé pour les fluides non newtoniens possédant un seuil d’écoulement. Dans le cas d’une lave, le seuil d’écoulement est défini par la viscosité. Quatre paramètres caractérisent cette relation, tels que définis dans les équations (1) et (2) :- la consistance (k), - l’indice d’écoulement (n), - la contrainte de cisaillement (τ_0) - la vitesse de cisaillement (γ)

τ_0 = τ-kγ^n (1) μ_0 = kγ^(n-1) + τ_0 γ^(-1) (2)

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Présentation et interprétation des résultats

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Résultats de la modélisation 3D

Interface graphique de XFlow présentant les modèles 3D* simplifié, de pré-éruption de la zone étudiée et de la topographie de la zone analogue

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Résultats sur un modèle contenant la topographie de pré-éruption

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Résultats sur un modèle contenant la topographie de pré-éruption

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Résultats sur un modèle contenant la topographie de pré-éruption

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Résultats sur un modèle contenant la topographie de pré-éruption

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Résultats sur un modèle de la topographie de la zone analogue

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Conclusion

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Merci de votre attention !

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Bibliographie

AZZARO R., BRANCA S., GWINNER K., COLTELLI M., 2012. The volcano-tectonic map of Etna volcano, 1:100.000 scale: An integrated approach based on a morphotectonic analysis from high-resolution DEM constrained by geologic, active faulting and seismotectonic data. p. 153-170.

BARRECA G., BRANCA S., CORSARO R.A., SCARFI L., CANNAVO M., ALOISI M., MONACO C., FACCENNA C., 2020. Slab Detachment, Mantle Flow, and Crustal Collision in Eastern Sicily (Southern Italy): Implications on Mount Etna Volcanism. [en ligne]Disponible sur : <https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020TC006188>.

BEHNCKE B. et NERI M., 2003. The July–August 2001 eruption of Mt. Etna (Sicily). Bulletin of Volcanology, volume 65, p. 461-476.

CARLINO M.F, SCARFI L., CANNAVO F., BARBERI G., PATANE D., COLTELLI M., 2022. Frequency-magnitude distribution of earthquakes at Etna volcano unravels critical stress changes along magma pathways. [en ligne] Disponible sur : <https://www.nature.com/articles/s43247-022-00398-6>.

COLTELLI M., PROJETTI C., BRANCA S., MARSELLA M., ANDRONICO D., LODATO L., 2007. Analysis of the 2001 lava flow eruption of Mt. Etna from three‐dimensional mapping. Journal of geophysical reseach, volume 112, p. 422.

DEL NEGRO C., CAPELLO A., NERI M., BILOTTA G., HERAULT A., GANCI G., 2013. Lava flow hazards at Mount Etna: constraints imposed by eruptive history and numerical simulations. Scientific Reports, volume 3, n° 1. p. 3493.

GANCI G., CAPPELLO A., BILOTTA G., HERAULT A., ZAGO V., DEL NEGRO C., 2019a. Digital Elevation Model of Mt Etna updated to 18 December 2015. In : Pangaea [en ligne]. Disponible sur : <https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.899140#>.

KAHL M., CHAKRABORTY S., POMPILIO M., COSTA F., 2015. Constraints on the Nature and Evolution of the Magma Plumbing System of Mt. Etna Volcano (1991–2008) from a Combined Thermodynamic and Kinetic Modelling of the Compositional Record of Minerals. p. 2025-2068.

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Bibliographie

KIEFFER G., 1985. Evolution structurale et dynamique d’un grand volcan polygénique : stades d’édification et activité actuelle de l’Etna.

LANZAFAME G., NERI M., ACOCELLA V., BILLI A., FUNCIELLO R., GIORDANO G., 2003. Structural features of the July–August 2001 Mount Etna eruption: evidence for a complex magma supply system. Journal of the Geological Society, volume 160, p. 531-544.

SCIFONI S., COLTELLI M., MARSELLA M., PROIETTI C., NAPOLEONI Q., VICARI A., DEL NEGRO C., 2010. Mitigation of lava flow invasion hazard through optimized barrier configuration aided by numerical simulation: The case of the 2001 Etna eruption. p. 16-26.

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Annexes

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Annexes

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Annexes

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Tableau regroupant les valeurs quotidiennes d'épaisseur et volume évaluées sur la zone d'étude. Valeurs tirées de l’étude de COLTELLI et al. (2007)

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Tableau des paramètres physiques de la coulée de 2001 provenant de la fissure « Silvestri IV » (COLTELLI et al., 2007).

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Nos interprétations

Schéma réalisé à partir d'Illustrator présentant les étapes de mise en place de la coulée de 2001 provenant de la fissure « Silvestri IV »

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Mise en avant de 2 zones particulières

• Débordement de la coulée dans le cratère "Silvestri"

• Débordement de la coulée sur un des bords latéral de l'écoulement

Carte présentant la coulée de 2001 au niveau de la zone d'étude. Sur la carte, la délimitation de la coulée est en rouge, les cônes éruptifs aux alentours de la coulée sont en verts, et la zone de débordement latérale est entourée en bleue

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