Mécanismes d'auto-fluidisation des écoulements pyroclastiques : approche expérimentale

Texte intégral

(1)Mécanismes d’auto-fluidisation des écoulements pyroclastiques : approche expérimentale Corentin Chédeville-Monzo. To cite this version: Corentin Chédeville-Monzo. Mécanismes d’auto-fluidisation des écoulements pyroclastiques : approche expérimentale. Sciences de la Terre. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2016. Français. �NNT : 2016CLF22684�. �tel-01401494�. HAL Id: tel-01401494 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01401494 Submitted on 23 Nov 2016. HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés..

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(69) 6RPPDLUH. . Sommaire 5HPHUFLHPHQWV 5pVXPp $EVWUDFW . Introduction gé né rale. 19. Chapitre 1 Les courants de densité pyroclastiques. 25. 1.1. Généralités ............................................................................................................. 26. 1.2. Mécanismes de formation des courants de densité pyroclastiques. 27. 1.3. Mécanismes de transport des courants de densité pyroclastiques. 32. 1.3.1. Transport des particules par un gaz turbulent .................................. 34 1.3.2. Transport dans un mélange gaz-particules dense ............................ 38. 1.4. Sédimentation des courants de densité pyroclastiques ........................ 43 1.4.1. Sédimentation à partir d’un courant dilué et turbulent .................. 43. 1.4.2. Sédimentation à partir d’un écoulement dense ................................. 44 1.4.2.1. Sédimentation « en masse » ................................................................................... 44 1.4.2.2. Sédimentation par aggradation progressive .................................................. 46. 1.5. Architecture des dépôts .................................................................................... 48.

(70) 6RPPDLUH. . 1.5.1. Dépôts de déferlantes ................................................................................. 48 1.5.2. Dépôts d’écoulements pyroclastiques de faible volume ................. 50. 1.6. La problématique des ignimbrites ................................................................ 52 1.6.1. Caractéristiques des dépôts ...................................................................... 52. 1.6.2. Rhéomorphisme ............................................................................................ 56. 1.6.3. Rapport de forme des ignimbrites : HARI et LARI ............................. 56 1.6.4. Capacité à franchir des obstacles ............................................................ 59. 1.7. Mobilité des courants pyroclastiques .......................................................... 60. Chapitre 2 Fluidisation d’un systè me gaz/particules. 63. 2.1. Le processus de fluidisation : historique et applications ...................... 64 2.2. Fluidisation d’un milieu granulaire par un gaz ......................................... 65. 2.2.1. Principe ............................................................................................................ 65. 2.2.2. Vitesse caractéristiques de fluidisation (U mf, Umb) ............................ 67. 2.2.3. Les différents groupes de particules ...................................................... 71. 2.3. Défluidisation par diffusion de pression ..................................................... 76. 2.4. Quelques paramètres influant sur la fluidisation .................................... 77 2.4.1. Forces interparticulaires ........................................................................... 77 2.4.2. Autres paramètres affectant la fluidisation ......................................... 79. 2.5. Fluidisation des écoulements pyroclastiques ........................................... 82.

(71) 6RPPDLUH. . 2.5.1. Indices de fluidisation des écoulements pyroclastiques ................. 82. 2.5.2. Sources de fluidisation des écoulements pyroclastiques ............... 83 2.5.3. Implications pour la mise en place des écoulements pyroclastiques ........................................................................................................... 86. Nomenclature ............................................................................................................... 88. Chapitre 3 Mé thodes expé rimentales. 91. 3.1. Démarche scientifique ....................................................................................... 92. 3.2. Etudes d’écoulements générés par le principe de « rupture de barrage » ......................................................................................................................... 93. 3.2.1. Travaux précédents ..................................................................................... 93 3.2.1.1. Courants gravitaires fluides .................................................................................... 93. 3.2.1.2. Ecoulements granulaires secs (i.e. non-fluidisés) .......................................... 94. 3.2.1.3. Ecoulements granulaires fluidisés ....................................................................... 98. 3.2.2. Dispositif expérimental « rupture de barrage » (chapitres 4 et 5) ...................................................................................................... 99 3.2.3. Les particules ................................................................................................. 102 3.2.4. Rugosité du fond du chenal ....................................................................... 102 3.2.5. Protocole expérimental .............................................................................. 104 4. 3.2.6. Dimensionnement des écoulements expérimentaux ....................... 106 6. 3.3. Expériences de chute de lit de particules (chapitre 6) ........................... 111 3.3.1. Dispositif expérimental .............................................................................. 111.

(72) 6RPPDLUH. . 3.3.2. Protocole expérimental .............................................................................. 115. 3.4. Capteurs de pression de fluide ....................................................................... 115 3.4.1. Caractéristiques des capteurs .................................................................. 115. 3.4.2. Calibration des capteurs ............................................................................ 116 3.4.3. Utilisation dans les expériences avec matériaux granulaires ....... 118. 3.5. Granulométrie des particules ......................................................................... 119 3.5.1. Granulomètre Morphologi G3 .................................................................. 119 3.5.2. Protocole expérimental .............................................................................. 119. 3.5.3. Résultats .......................................................................................................... 120. Chapitre 4 Auto-fluidisation des é coulements pyroclastiques se propageant sur un substrat rugueux. 125. Chédeville and Roche 2014, Journal of Geophysical Research. 127. “Autofluidization of pyroclastic flows propagating on rough substrates as shown by laboratory experiments” 1. Introduction ............................................................................................................. 127. 2. Experimental methods and device ................................................................... 128. 2.1. Principles of pore fluid pressure generation and diffusion …........... 128 2.2 Experimental device ......................................................................................... 129. 2.3. Scaling issues ..................................................................................................... 130. 3. Results ........................................................................................................................ 130 3.1. Flow runout distance ...................................................................................... 130.

(73) 6RPPDLUH. . 3.2. Flow front kinematics ..................................................................................... 131. 3.3. Flow morphology ............................................................................................. 132 3.4. Flow-substrate interaction ........................................................................... 133 3.5. Basal pore pressure ......................................................................................... 134. 4. Discussion .................................................................................................................. 135. 4.1. Flow mechanisms in experiments .............................................................. 135. 4.2. Implication for pyroclastic flows ................................................................ 137. 5. Conclusions ............................................................................................................... 137. Chapitre 5 Influence de la pente sur la fluidisation et la dynamique des é coulements pyroclastiques. 141. Chédeville and Roche 2015, Bulletin of Volcanology. 143. “Influence of slope angle on pore pressure generation and kinematics of pyroclastic flows: insights from laboratory experiments” Introduction .................................................................................................................. 143 Experimental methods .............................................................................................. 144 Pore fluid pressure generation and diffusion in gas-particle systems. 144. Experimental device and procedure ................................................................. 144. Results ............................................................................................................................. 145. Pore pressure data ................................................................................................... 145. Flow runout ................................................................................................................ 148. Flow front kinematics ............................................................................................. 149.

(74) 6RPPDLUH. . Flow front morphology ........................................................................................... 149. Sedimentation and deposit reworking ............................................................. 150. Discussion ...................................................................................................................... 152 Autofluidization ........................................................................................................ 152. Influence of slope angle on flow dynamics ...................................................... 152 Implication for pyroclastic flows ........................................................................ 153. Conclusion ...................................................................................................................... 154. Chapitre 6 Gé né ration et diffusion de la pression interstitielle induite par la chute de particules 6.1. Introduction ........................................................................................................... 157. 158. 6.2. Résultats ................................................................................................................. 160 6.2.1. Aspects généraux .......................................................................................... 160. 6.2.2. Effet de la hauteur de la porte .................................................................. 165 6.2.3. Effet de l’épaisseur du lit granulaire ...................................................... 167. 6.2.4. Taille des particules ..................................................................................... 172. 6.2.5. Effet de la température ............................................................................... 176. 6.2.6. Expériences avec l’ignimbrite .................................................................. 178. 6.3. Discussion .............................................................................................................. 183 6.3.1. Sous-pression ................................................................................................. 183. 6.3.2. Surpression dans le réservoir (1ère surpression) ............................ 183. 6.3.3. Surpression dans le dépôt (2ème surpression) ................................. 187.

(75) 6RPPDLUH. . 6.3.3.1. Diffusion à la base du dépôt .................................................................................... 189 6.3.3.2. Diffusion dans l’épaisseur du dépôt .................................................................... 193. 6.3.4. Pressurisation thermique .......................................................................... 195. 6.4. Implications .......................................................................................................... 198 6.5. Conclusions et perspectives ............................................................................. 200. 6.5.1. Résumé des principaux résultats ............................................................ 200. 6.5.2. Perspectives ................................................................................................... 202. Nomenclature ............................................................................................................... 204 . Conclusions gé né rales et perspectives. 205. 1. Résumé des principaux résultats ...................................................................... 205 1.1. Ecoulements se propageant sur fond rugueux ....................................... 205. 1.1.1. Chenal horizontal ............................................................................................................ 206. 1.1.2. Chenal incliné ................................................................................................................... 208. 1.2. Auto-fluidisation par chute de lits de particules ................................... 209. 2. Implications pour la dynamique des écoulements pyroclastiques ....... 211 3. Perspectives .............................................................................................................. 213. Ré fé rences bibliographiques. 215. .

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