Introduction Générale

      |Surveillance et recherche en volcanologie|
      |Apport des mesures de déformations|
      |Méthodologie du champ de déformation|
      |Le Merapi : volcan « laboratoire »|
      |Plan de la thèse|
      |Petite réflexion sur la modélisation en volcanologie|

    Surveillance et recherche en volcanologie

    Les volcans sont une des expressions formidable de la dynamique du Globe, une des rares dont on puisse parfois observer l’évolution à l’échelle humaine. Notre planète compte — à l’exclusion des nombreux volcans sous-marins encore très mal connus — environ 600 volcans en activité, pour la plupart situés dans des régions inhabitées et donc sans danger direct pour l’homme. Il existe cependant une centaine de volcans à hauts risques dans le monde (identifiés par l’UNESCO), dont une majorité est localisée sur la « Ceinture de Feu » du Pacifique, principalement dans des pays surpeuplés. Depuis l’année 1700, on a recensé 27 éruptions qui ont fait plus de 1.000 victimes chacune, au total environ 260.000 morts. Pour ne citer que les plus importantes : le Tambora en 1815 (Indonésie), 92.000 morts, le Krakatau en 1883 (Indonésie), 36.000 morts et la Montagne Pelée en 1902 (Martinique), 29.000 morts. Plus récemment, en 1985, le Nevado del Ruiz (Colombie) a tué 22.000 personnes.

    Attirés par la richesse des sols, ou du fait de l’attachement à leur terre, de leurs convictions culturelles ou religieuses, ou plus simplement en raison de leur ignorance, les habitants vivant sous la menace des volcans doivent actuellement se compter en millions d’âmes. À défaut d’évacuer définitivement toutes ces zones, les volcanologues se doivent d’évaluer les risques et d’informer la population afin de contribuer à la prévention des dangers.

    On peut répertorier sept types de risques volcaniques qui présentent un danger direct (primaire) ou indirect (secondaire) pour la population : les coulées de lave, les retombées de cendres et de blocs, les écoulements pyroclastiques ou « nuées ardentes », les gaz, les lahars (coulées de boue), les glissements de terrain ou « avalanches » et les tsunamis (raz-de-marée). Chacune de ces manifestations externes peut faire l’objet d’études spécifiques qui, à la lumière de l’activité passée de chaque volcan, permettront d’évaluer les menaces par des zonages cartographiques précis. Puis, en tenant compte des populations exposées et de la vulnérabilité du patrimoine socio-économique et culturel, des cartes de risques sont aussi établies.

    Dans le cas particulier des coulées de boue provoquées par l’explosion d’un lac de cratère, il est possible de résoudre le problème en aval : en Indonésie par exemple, les volcanologues hollandais ont creusé des tunnels dans les flancs des volcans Kelud et Galunggung (et dans une moindre mesure au Kawah Ijen), de façon à vider artificiellement l’eau de pluie qui s’accumule dans les cratères et se transforme au contact des fumerolles en gigantesque réservoir d’acide sulfurique. Il est également envisageable de dévier les trajectoires de petites coulées de boue ou de lave peu visqueuse afin d’épargner des zones habitées (éruptions de 1983 et 1991 à l’Etna). En revanche, l’énergie et les volumes de matière mis en jeu lors d’éruptions explosives ou d’émission de nuées ardentes surpassent totalement les capacités techniques actuelles.

    La volcanologie est d’abord l’étude des processus internes qui engendrent ces activités de surface. Elle consiste à étudier l’objet « volcan » dans son contexte géologique : la genèse, la composition et la dynamique des magmas, ainsi que leur interaction avec la croute terrestre : les chambres magmatiques, les fractures, les nappes phréatiques... On y retrouve un apport de pratiquement tous les domaines des Sciences de la Terre : la géologie bien sûr, mais aussi la géochimie et tout ce que l’on regroupe sous le terme générique de géophysique : dynamique des fluides, sismologie, géomagnétisme, gravimétrie, géoélectricité, géodésie... Grâce à ces diverses approches, la volcanologie moderne a connu un essor considérable ces vingt dernières années, et les principes physiques de la phénoménologie sont maintenant bien établis. On sait qu’une éruption peut se déclencher sous l’effet de quatre types de phénomènes [Jaupart, 1997]:


    La recherche fondamentale vise ainsi à améliorer notre connaissance de la structure et du fonctionnement de chaque édifice volcanique. Elle doit avoir pour but ultime la définition de modèles physiques, au sens large du terme, qui devront être de préférence quantifiables et toujours contraints in fine par des observations de terrain.

    Les volcans sont cependant des objets géologiques complexes et les modèles physiques des phénomènes éruptifs n’en sont qu’à leurs débuts. La phénoménologie revêt des formes très diverses pour chaque édifice volcanique et on manque dramatiquement de modèle de fonctionnement pour la quasi totalité des volcans dangereux [Jaupart, 1994]. La prévision des éruptions est pour cela difficile, mais leur détection ne pose actuellement plus de problème majeur. Le magma, lorsqu’il se fraye un chemin vers la surface, engendre un grand nombre de phénomènes détectables. Ainsi, une « auscultation » des variations des différents paramètres physiques et chimiques : sismicité, déformations, géochimie des laves et des gaz, volcanomagnétisme, microgravimétrie, thermographie... permet l’observation de son activité en « temps réel ». C’est le rôle de la surveillance qui interprète ces mesures au travers des modèles les plus fiables — ou les plus simples — permettant d’appréhender l’état et l’évolution du volcan, et, finalement, tenter de prédire son comportement futur.

    La surveillance est souvent réduite à la simple détection des éruptions : sans chercher à être intégrés dans un modèle physique complexe, les paramètres mesurés sont analysés directement en terme de variation d’activité volcanique (au sens statistique). Pendant chaque période de repos du volcan, une « ligne de base » est définie ; lorsqu’une majorité de paramètres en dévie, on parle de signaux « précurseurs » qui permettent de conclure à une situation inhabituelle ou alarmante. Dans ce cas, tous les types de mesures peuvent être exploités et notamment ceux issus des études fondamentales. On citera comme exemple le logiciel développé par Cornelius et Voight [1994] basé sur l’estimation de l’accélération des déformations ou d’augmentation de l’énergie sismique afin de prévoir la rupture mécanique d’un volcan (« Materials Failure Forecasting Method »). Cette méthode s’est montrée efficace a posteriori sur l’analyse des données d’une dizaine d’éruptions à caractère explosif [Voight, 1988].

    La recherche et la surveillance en volcanologie sont toutes deux des études pluridisciplinaires qui se basent sur des observations, allant de la simple description visuelle à la mesure de paramètres géophysiques extrêmement précis. L’art de la mesure, la métrologie, y joue un rôle tout à fait essentiel mais qui n’a donc pas la même finalité dans les deux cas. Pour la recherche, le but des mesures est de contraindre un modèle théorique. Pour la surveillance, on ne doit mesurer, par principe, que les paramètres utilisables pour les modèles déjà expérimentés que l’on s’est fixés, et qui seront appliqués.


    Apport des mesures de déformations

    L’application d’un modèle physique à un volcan particulier se heurte au problème incontournable de l’inaccessibilité des paramètres fondamentaux : géométrie du réservoir et du conduit magmatique (la « plomberie » du volcan), état physico-chimique du magma et mécanique de l’encaissant. Si toutes ces informations étaient précisément connues, elles seraient utilisées comme conditions aux limites d’un modèle dynamique qui conduirait presque immédiatement — selon l’hypothèse déterministe ! — à une prédiction fiable et rationnelle des éruptions : lieu de sortie de la lave, volumes éruptés, changements de régime et durée de l’éruption. N’ayant accès qu’à des mesures de surface (comme pour la plupart des systèmes géologiques), on doit déterminer ces paramètres indirectement, avant même d’envisager l’application d’un modèle de fonctionnement pour la prédiction.

    Les études structurales en volcanologie sont un champ d’application particulier des méthodes géophysiques de prospection du sous-sol. Elle se distinguent des autres domaines par deux caractéristiques : d’une part les structures sont hétérogènes et non stratiformes, la modélisation requiert donc une haute densité de données ; d’autre part les contrastes entre les diverses formations volcaniques et encaissantes sont souvent très forts. Les études de structures volcaniques sont réalisées principalement par la sismologie (localisation de séismes, distribution spatiale des vitesses d’ondes sismiques), la géoélectricité (distribution des résistivités électriques) et la gravimétrie (distribution des densités de masse).

    L’étude des déformations n’est pas à proprement parler une méthode de prospection. Cependant, elle apporte des informations indirectes mais précieuses sur la structure interne des volcans. En effet, les variations de pression dans la chambre magmatique et les intrusions de magma vers la surface induisent des déformations du volcan détectables en surface. Si l’on fait quelques hypothèses simplificatrices, par exemple le comportement élastique d’un milieu semi-infini homogène, il devient alors envisageable de déterminer les caractéristiques de la source de déformations. Depuis les premières applications de ce type par Mogi [1958], des analyses ont été menées sur une douzaine de volcans actifs pour lesquels les mesures étaient abondantes. Elles ont permis de déterminer la position et la géométrie simplifiée des réservoirs (point, sphère, ellipsoïde, plan...) et d’en tirer des conclusions sur l’alimentation de magma [Dzurizin et al., 1980; 1984]. Une synthèse récente de ces travaux a été faite par Dvorak et Dzurisin [1997].

    Quelles que soient les hypothèses faites sur le comportement des roches, les observations doivent être suffisantes pour contraindre correctement les paramètres du modèle. Si l’on veut approcher la complexe réalité, une modélisation requiert la mesure d’un champ de déformations aussi dense que possible sur la surface de l’édifice. Ce n’est généralement pas le cas. Pour des raisons budgétaires ou logistiques, l’échantillonnage spatial et temporel des mesures est souvent assez lâche et toujours incomplet. Il faut donc optimiser ces mesures par une approche méthodique.


    Méthodologie du champ de déformation



    Figure 1. Principe de l’étude géophysique d’un volcan basée sur l’observation instrumentale et interaction avec la surveillance et la prévision des éruptions.


    Une étude volcanologique basée sur l’observation prend sa source dans un premier modèle simpliste du fonctionnement du volcan (Figure 1). Ce modèle a priori est par exemple la position approximative de la chambre magmatique, les volumes de lave mis en jeu lors des éruptions passées, etc... Si le volcan n’a jamais été étudié, la comparaison avec d’autres volcans du même type pourra donner des ordres de grandeur.

    a) Choix des techniques et des sites. Le modèle de départ permet de choisir les paramètres judicieux à mesurer, d’estimer les grandeurs attendues et donc la précision nécessaire, ainsi que les techniques permettant d’y parvenir. Dans le cas de mesures ponctuelles, la localisation géographique précise des sites d’observation doit être déterminée en fonction de l’amplitude du signal escompté.

    b) Mesures instrumentales. Les paramètres géophysiques (ou leurs variations) ont presque toujours des valeurs si faibles qu’ils sont difficiles à mesurer avec un rapport signal sur bruit acceptable. Les mesures instrumentales font donc souvent appel à des techniques très pointues dont la pratique constitue parfois de véritables métiers : géodésie, gravimétrie... Les volcanologues profitent pleinement des développements de capteurs destinés initialement à des applications toutes autres, comme l’exploration pétrolière ou les études de génie civil ; mais il faut parfois les adapter aux conditions spéciales d’un environnement volcanique.

    c) Traitement et validation des données. Les instruments de mesure fournissent rarement une valeur directe du paramètre physique recherché et de son erreur. Les données en valeurs « brutes » doivent être sélectionnées et traitées afin d’obtenir des données en valeurs « géophysiques ». Ce traitement comprend la calibration des capteurs, la prise en compte des effets électroniques et des caractéristiques du système d’acquisition (effets de filtre, dysfonctionnements, ...), mais aussi de perturbations externes sur les capteurs ou sur le site (météo, intervention humaine, ...). Il est pour cela nécessaire de compléter les mesures par un carnet de terrain exhaustif et par la mesure de paramètres annexes comme la température, la pluviométrie, la pression. Cette étape est indissociable de la mesure elle-même car elle fait intervenir une connaissance approfondie de l’ensemble des installations ou des campagnes de mesure. La validation consiste en une intégration de toutes les données traitées dont les paramètres sont soit identiques, soit reliés par une loi physique évidente. La comparaison des mesures obtenues par des techniques ou des capteurs différents permet d’une part, de définir une erreur globale valable — indépendante de toute la chaîne de mesure — sur la valeur du paramètre physique recherché, et, d’autre part, de tirer des conclusions sur le comportement d’un site ou sur le couplage d’un capteur avec l’édifice volcanique.

    d) Modélisation. Une modélisation procède toujours en deux étapes : (1) choix d’un modèle physique simple comprenant un nombre limité de paramètres (problème « direct ») et (2) ajustement des paramètres du modèle pour rendre compte au mieux des observations de terrain (problème « inverse »). Les hypothèses qui sous-tendent le choix du modèle simplifié expriment à elles seules la justesse et les limites du modèle tout entier. L’inversion des données observées, parfois lourde numériquement, permet uniquement d’estimer la probabilité d’existence du modèle, et donc en un certain sens de le valider, mais sans jamais pouvoir l’extrapoler hors de ses hypothèses. La réalité étant infiniment riche et complexe, un modèle ne sera jamais totalement vérifié. Complété par de nouvelles observations et confronté à d’autres modèles, il ne sera que de plus en plus probable, ou improbable.

    e) Interprétation. L’interprétation consiste à intégrer les résultats du modèle à d’autres modèles ou observations afin d’en tirer des conclusions sur le comportement du volcan. On cherche à déterminer les implications du modèle, en estimant par exemple des paramètres physiques qui n’ont pas été pris en compte dans la modélisation. Cette étape comprend également la confrontation du modèle aux autres types d’études, qui peut aboutir à une validation ou au moins une compatibilité du modèle. L’ensemble de ces informations constitue une description quantitative du fonctionnement du volcan, basée sur des observations de terrain. C’est le modèle phénoménologique a posteriori, point de départ d’une nouvelle étude qui permettra d’affiner la connaissance du volcan.

    f) Surveillance et prévision. La surveillance et la prévision des éruptions se basent sur des observations traitées et validées d’une part, et sur un modèle phénoménologique issu des recherches en cours d’autre part. Nous voulons insister ici sur le fait que la démarche permettant de déterminer l’activité du volcan requiert bien ces deux sources d’information. Même si parfois, certaines étapes sont faites de manière implicite ou sommaire, une observation ne peut pas être interprétée directement en terme de mesure.


    Le Merapi : volcan « laboratoire »

    L’Indonésie compte 129 volcans actifs. 79 d’entre eux ont connu au moins une éruption depuis 1600. Ils représentent environ 13% des volcans actifs du monde. Outre les éruptions du Tambora et du Krakatau déjà citées, l’histoire récente a été marquée par nombre d’éruptions majeures notamment au Kelud (1920), Merapi (1930), Agung (1963) et Galunggung (1982), qui ont toutes causé la perte de vies humaines et de gros dégâts d’infrastructures. Parmi ceux-ci, le Merapi à Java Centre, est considéré par le Volcanological Survey of Indonesia (VSI) comme le plus dangereux. Ce strato-volcan andésitique haut de 2964 m est situé à 25 km au nord de la ville de Yogyakarta (3 millions d’habitants). Son activité récente est intermittente mais pratiquement continue dans le temps. Elle évolue entre la production paisible d’un dôme de lave dans le cratère sommital, et de violentes explosions pouvant générer des nuées ardentes, des lahars et de larges dépôts de cendres. Depuis 1672, près de 10.000 personnes y ont trouvé la mort. En 1990, on a recensé 114.800 habitants dans la « zone de danger I » et 79.100 personnes réparties dans 32 villages de la « zone interdite » directement exposée à ces risques. Le Merapi a été déclaré « Decade Volcano » par l’UNESCO en 1995.

    Le VSI, établi en 1920 et chargé de la surveillance des volcans indonésiens, a toujours étudié le Merapi d’une façon prioritaire. Dès 1924, un séismographe y fut installé, puis un observatoire complet fut établi à Yogyakarta en 1952. Depuis 1985, il est appelé Merapi Volcano Observatory (MVO) et a été renommé Volcanology Technical Research Center (VTRC) en décembre 1997. Les diverses collaborations internationales (France, USA, Japon, Allemagne, ...) ont fait du Merapi l’un des volcans les mieux surveillés au monde. Si les publications scientifiques sont encore peu nombreuses — à l’heure où j’écris ces lignes, un numéro spécial Merapi du Journal of Volcanological and Geothermal Research (JVGR) est sous presse —, les observations en revanche, sont faites par un large spectre de méthodes depuis plusieurs dizaines d’années.

    Le Merapi a été, en France, le sujet de 6 thèses universitaires qui traitent respectivement des aspects pétrologiques, géochimiques, géologiques, sismologiques, gravimétriques et géographiques :

    1. F. Kerinec : « Le Merapi, volcan actif d’arc insulaire (Java) », Orsay, 1982.
    2. I. Bahar : « Contribution à la connaissance du volcanisme indonésien : le Merapi (Centre-Java); cadre structural, pétrologie-géochimie et implications volcanologiques », Montpellier, 1984.
    3. P.C. Berthommier : « Étude volcanologique du Merapi (Centre-Java): téphrostratigraphie et chronologie - produits éruptifs », Clermont-Ferrand II, 1990.
    4. A. Ratdomopurbo : « Étude sismologique du volcan Merapi et formation du dôme de 1994 », Grenoble I, 1995.
    5. P. Jousset : « Microgravimétrie et gravimétrie en volcanologie : méthodologie et application au volcan Merapi, Java, Indonésie », Paris VII, 1996.
    6. F. Lavigne : « Les lahars du volcan Merapi, Java central, Indonésie. Déclenchement, budget sédimentaire, dynamique et zonage des risques associés », Clermont-Ferrand II, 1998.

    En 1986, un accord de coopération scientifique a été signé entre la Délégation aux Risques Majeurs (DRM) du Ministère de l’Environnement (France) et la Direction Générale de Géologie et des Ressources Minérales (DGGMR) du Ministère des Mines et de l’Énergie (Indonésie), dont le VSI dépend directement. Dans cet accord, renouvelé en 1992 puis en 1997, l’objectif des recherches en volcanologie est triple : « (1) mettre en œuvre de nouvelles techniques d’évaluation du risque volcanique, (2) former des scientifiques indonésiens, (3) chercher à mieux comprendre le comportement des volcans andésitiques de façon à mieux surveiller les volcans situés dans les DOM-TOM, aux Antilles ».

    Le présent travail s’inscrit pleinement dans ce cadre. Après 16 mois en poste de Coopérant du Service National au VSI, j’ai effectué six missions de terrain au Merapi afin d’installer du matériel de surveillance et d’organiser des campagnes de mesures (durée totale : environ 6 mois de terrain, voir Annexe C). Ces périodes de coopération et de missions m’ont aussi permis d’assurer la formation technique des équipes indonésiennes (traitement de données continues, utilisation du GPS, ...).

    Le Merapi se présente comme un choix tout à fait adapté à ce travail :



    Plan de la thèse

    La structure de cette thèse est basée sur la trame méthodologique de la Figure 1. En cinq chapitres, nous étudions un cycle complet d’analyse des déformations du Merapi, qui va du modèle a priori au modèle a posteriori, en passant par toute les étapes de mesures instrumentales, le traitement de données et la modélisation.

    Le premier chapitre présente, par une brève étude bibliographique, le cadre géologique et les principaux éléments phénoménologiques du volcan Merapi qui nous ont permis de définir les paramètres de notre modèle de départ. Nous présentons ensuite les différentes techniques de mesure de déformation qu’il était possible d’utiliser et nous discutons enfin du choix des sites qui ont servi à cette étude.

    Au deuxième chapitre sont décrites les campagnes de mesures GPS réalisées et les installations instrumentales (stations clinométriques et extensométriques). L’accent est mis sur les spécificités méthodologiques de ce travail. Nous présentons toutes les données brutes calibrées en unité physique et corrigées d’effets purement instrumentaux.

    Le troisième chapitre expose les différents traitements de données : compensation des mesures GPS, correction d’effets thermo-mécaniques sur les signaux clinométriques. Les données sont ensuite validées par des comparaisons entre les différents instruments ou méthodes de mesure. En étudiant en particulier les effets de site et les corrélations avec l’activité du Merapi, des comportements mécaniques locaux sont mis en évidence. Ce chapitre se termine par la présentation de l’ensemble des données traitées et calibrées, avec leurs erreurs relatives.

    Le quatrième chapitre traite de la modélisation tridimensionnelle du champ de déformation en domaine élastique. Notre étude a été réalisée à deux échelles spatiales différentes : à l’échelle de l’édifice volcanique tout entier pour une étude de la chambre magmatique (article soumis à J.G.R. en décembre 1997), et à l’échelle de la zone sommitale pour une étude du conduit magmatique et des fractures principales.

    L’intégration et l’interprétation des résultats des différents modèles sont regroupés au cinquième chapitre sous forme d’une discussion qui aboutit à notre modèle a posteriori du volcan. Nous tirons alors des conclusions et proposont des perspectives, en déterminant notamment les techniques et sites de mesures qui permettraient une amélioration de la surveillance.

    Enfin, les annexes décrivent les matériels et logiciels développés spécifiquement pour cette étude (Annexe A), les différents manuels d’utilisation écrits pour l’exploitation sur le terrain (fiches techniques et « modes d’emploi », Annexe B) et un calendrier des missions effectuées (Annexe C). Ces annexes sont extraites de mes rapports de mission que j’ai diffusés en langue indonésienne aux équipes concernées du VSI.



    Dessins de BARBE dans La Recherche n°163, 1985.

    Copyright © François Beauducel, Université Denis Diderot - Paris 7, mai 1998.
    |Remerciements| |Table des Matières| |Avant Propos| |Téléthèse| |Home|