Thesis
Reference
Histoire éruptive et évaluation des aléas du volcan Acatenango (Guatemala)
BASSET, Thierry Stéphane
Abstract
Ce travail amène de nouvelles données géologiques sur le volcan Acatenango: une stratigraphie synthétique, une carte géologique et 21 datations carbone 14. Ces données permettent de reconstituer son histoire éruptive et de proposer un modèle d'évolution générale du complexe volcanique Fuego-Acatenango. La pétrographie et la géochimie des roches de l'Acatenango ont également été étudiées de manière à définir les processus magmatiques intervenant dans la genèse et l'évolution de ses magmas. De plus, les différences géochimiques, constatées entre les produits de volcans ou de centres éruptifs distincts, ont été explorées avec une méthode statistique multivariée, l'analyse discriminante.
L'ensemble des données géologiques permettent de définir 4 scénarios possibles en cas de future éruption, avec 7 types d'aléas associés. Une carte de zonation pour chacun de ces aléas est finalement proposée.
BASSET, Thierry Stéphane. Histoire éruptive et évaluation des aléas du volcan Acatenango (Guatemala). Thèse de doctorat : Univ. Genève, 1996, no. Sc. 2805
DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:98295
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:98295
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UNIVERSITE DE GENEVE Section des sciences de la Terre Département de minéralogie
FACULTE DES SCIENCES Professeur J.-J. Wagner directeur de thèse Professeur M. Delaloye codirecteur de thèse
Histoire éruptive et évaluation des aléas du volcan Acatenango (Guatemala)
THÈSE
présentée à la Faculté des sciences de l'Université de Genève pour obtenir le grade de Docteur ès sciences
mention sciences de la Terre
par
Thierry Stephane BASSET
de Collonge-Bellerive (Genève)
Thèse N° 2805
Genève
1996
directeur de thèse (Section des sciences de la Terre - Département de minéralogie), M. DELALOYE, professeur ordinaire et codirecteur de thèse (Section des sciences de la Terre - Département de minéralogie), M. DUNGAN, professeur ordinaire (Section des sciences de la Terre - Département de minéralogie), L. STIELTJES, docteur (BRGM, Bureau de Recherche Géologique et Minière - Service risques naturels, Marseille) et J. TOMBLIN, docteur (Disaster Mitigation Branch, Département des affaires humanitaires - Nations Unies, UNDHA - Genève), autorise l'impression de la présente thèse, sans exprimer d'opinion sur les propositions qui y sont énoncées.
Genève, le 12 mars 1996
Thèse - 2805 -
le Doyen, Eric DOELKER
Basset, T.: Histoire éruptive et évaluation des aléas du volcan Acatenango (Guatemala).
Terre & Environnement, vol. 3, XVII + 240 pp. + 69 pp. annexes ( 1996) ISBN 2-940153-02-7
Section des sciences de la Terre, Université de Genève, 13 rue des Maraîchers, CH-1211 Genève 4, Suisse Télélphone: ++41-22-702-6111, Téléfax: ++41-22-320-5732
RESUME RESUMEN ABSTRACT
TABLE DES MATIERES
... VI
···VII
···VIII REMERCIEMENTS ... IX LISTE DES FIGURES ... XII LISTE DES TABLEAUX ... XV LISTE DES ABREVIATIONS ... XVII
CHAPITRE 1 INTRODUCTION ... 1
1.1. L'homme et les volcans ... 1
1.2. Volcanologie et évaluation des aléas ... 3
1.2.1. Définitions de l'aléa et du risque volcanique ... 3
1.2.2. Evaluations des aléas volcaniques et cartes de zonations ... 3
1.2.3. Limites des méthodes d'évaluation des aléas à long terme ... 5
1.3. Le volcan Acatenango ... 7
1.3.1. Localisation géographique ... 7
1.3.2. Activités volcaniques historiques du complexe Fuego- Acatenango ... 9
1.3.3. Historique des études du complexe Fuego-Acatenango ... 10
1.3.4. Aléas volcaniques sur le complexe Fuego-Acatenango ... 13
1.4. Objectifs de l'étude ... 14
CHAPITRE 2 CONTEXTE TECTONIQUE ET GEOLOGIQUE ... 15
2.1. Cadre tectonique ... 15
2.1.1. Tectonique des plaques en Amérique Centrale ... 15
2.1.2. Segmentation de la chaîne volcanique et distribution de l'activité volcanique en Amérique Centrale ... 17
2.2. Cadre géologique ... 18
2.2.1. Le soubassement de la chaîne volcanique tertiaire ... 18
2.2.2. Le volcanisme tertiaire ... 18
2.2.3. La chaîne volcanique quaternaire ... 20
Les caldeiras ................................. 20
Les stratovolcans (le front volcanique) ........................ 24
2.2.4. La plaine côtière ... 26
CHAPITRE 3 GEOLOGIE ET STRATIGRAPHIE ... 27
3.1. Nomenclatures, classifications et méthodologies ... 27
3. 1.1. Nomenclatures et classifications ... 27
Fragments et dépôts pyroclastiques ... ... 27
Unités lithostratigraphiques et unités d'activité volcanique ...... 28
3.1.2. Méthodologies ... 29
Cartographie géologique ................. 29
1
Coupes stratigraphiques et échantillons .......................... 30
Datations 14C ... 31
3.2. Histoire de l'Acatenango: introduction ... 31
3.2.1. Carte géologique ... 31
3 .2.2. Stratigraphie synthétique ... 32
3.2.3. Géochronologie ... 34
3.3. Soubassement de l'Acatenango ... 39
3.3.1. Morphologies et coulées de lave ... 39
3.3.2. Tephra du groupe Sumpango ... 40
3.3.3. Tephra du groupe San Cristobal ... 41
3.3.4. Discussion ... 41
3.4. Acatenango Ancien ... 42
3.4.1. Evidences géomorphologiques de l'existence de l'Acatenango Ancien ... 42
3.4.2. Le dépôt d'avalanche de débris ... 43
3.4.3. Les dépôts pyroclastiques ... 46
3.4.4. Les coulées de laves ... 46
3.4.5. L'âge de l'Acatenango et de l'avalanche de débris ... 46
3.5. Yepocapa ... 48
3. 5 .1. Les coulées de lave ... 48
3.5.2. Les dépôts de coulées pyroclastiques ... 48
Les dépôts de coulées pyroclastiques de scories et cendres ..... 48
Le dépôt de coulée pyroclastique de blocs et cendres de La Soledad ........................................................ 49
Le dépôt pyroc/astique de ponces et cendres de Los Pa jales .... 50
3.5.3. Les dépôts de retombées pyroclastiques ... 50
Les dépôts de retombées de scories ........ 50
Les dépôts de retombées de ponces (P-1) ...... 51
3.5.4. Age et évolution du Yepocapa ... 52
3.6. Pico Central ... 54
3.6.1. Le cône du Pico Central et les coulées de lave ... 54
3.6.2. Les dépôts de retombées pyroclastiques ... 55
Les dépôts de retombées de ponces (P-2, P-3 et P-4) .... 55
Les dépôts de retombées de scories ....................... 58
Les dépôts de retombées de mélanges de scories et de ponces ....... 59
3.6.3. Les dépôts de coulées pyroclastiques ... 61
Le dépôt de coulée pyroc/astique de ponces et cendres du Rio Cucuya ...... 61
Le dépôt de coulée pyroclastique à scories rubanées de la Barranca Zan) on Se ca ...... 61
3.6.4. Age et évolution du Pico Central.. ... 62
3.6.5. Les dépôts de lahars de l'Acatenango ... 64
3. 7. Conclusions ... 64
3. 7 .1. Evolution du volcan Acatenango et du complexe volcanique Fuego-Acatenango ... 64
3.7.2. Discussion ... 68
CHAPITRE 4 PETROGRAPHIE ... (! • • • • • • • • • • • • • • 69
4.1. Classifications, nomenclatures et méthodologie ... 69
4.2. Soubassement de l'Acatenango ... 70
Table des matières III
4.2.1. Coulées de lave ... 70
4.2.2. Ponces ... 71
4.2.3. Discussion ... 71
4.3. Acatenango Ancien ... 72
4.3.1. Coulées de lave et blocs lithiques du dépôt d'avalanche de débris ... 72
4.3.2. Discussion ... 74
4.4. Yepocapa ... 74
4.4.1. Coulées de lave et fragments accessoires des dépôts pyroclastiques ... 74
4.4.2. Scories des dépôts de coulées pyroclastiques et de retombées ... 77
4.4.3. Ponces ... 78
4.4.4. Discussion ... 80
4.5. Pico Central ... 80
4.5.1. Coulées de lave et blocs lithiques ... 80
4.5.2. Ponces ... 82
4.5.3. Scories ... 83
4.5.4. Mélanges de scories et de ponces ... 84
4.5.5. Discussion ... 86
4.6. Caractéristiques pétrographiques des roches de l'Acatenango ... 87
4.6.1. Caractéristiques générales ... 87
Teneurs en phénocristaux ...... 87
Paragénèses minéralogiques .... 87
L'olivine ................................................... 88
Les plagioclases ...................................... 89
Les pyroxènes ......................................... 90
La hornblende ...... 92
4.6.2. Comparaisons avec les roches du volcan Fuego ... 92
4.6.3. Comparaison avec les roches de la paire de volcans Atitlim- Toliman ... 94
4. 7. Implications magmatologiques ... 95
4. 7.1. Cristallisation fractionnée et PH20 ... 95
4. 7 .2. Mélanges magmatiques ... 97
Evidences des mélanges magmatiques dans les roches de l'Acatenango ...... 97
Modalités des mélanges magmatiques ...... 99
Mélanges magmatiques dans l'histoire de l'Acatenango ...... 101
4.8. Conclusions ... 102
CHAPITRE 5 GEOCHIMIE ... 103
5. 1. Introduction ... 1 03 5 .1.1. Classifications, nomenclature et méthodologies ... 103
5 .1.2. Géochimie et contexte tectonique ... 103
5.2. Caractéristiques géochimiques générales des roches de l'Acatenango ... 105
5.2.1. Eléments majeurs ... 105
5.2.2. Eléments traces ... 108
5.3. Variations géochimiques au cours de l'histoire de l'Acatenango ... 110
5.3.1. Variations géochimiques temporelles à court terme ... 110
5.3.2. Variations géochimiques temporelles à long terme ... 111
5.4. Comparaisons avec le Fuego et d'autres volcans d'Amérique Centrale ... 115
5.4.1. Comparaison avec le Fuego ... 115
5.4.2. Comparaisons avec d'autres volcans d'Amérique Centrale ... 116
5.5. Implications magmatologiques ... 117
5. 5 .1. Cristallisation fractionnée et mélange magmatique ... 118
5.5.2. Le système de conduits actuel de l'Acatenango ... 119
5.5.3. Evolution du système de conduits et variation de l'intensité de l'alimentation magmatique de l'Acatenango ... 124
5.6. Conclusions ... 126
CHAPITRE 6 ANALYSES DISCRIMINANTES ... 127
6.1. Introduction ... 127
6.1.1. Les analyses statistiques multivariées ... 127
6 1 2 P . . . . . nnc1pes e ana yse 1scnmmante ...d l' 1 d' . . ... 127
6.1.3. Applications de l'analyse discriminante en Sciences de la Terre ... 128
6.1.4. Buts de l'analyse discriminante appliquée au complexe Fuego- Acatenango ... 130
6.2. Théorie ... 130
6.2.1. L'analyse discriminante entre deux groupes ... 131
6.2.2. L'analyse discriminante multigroupe ... 132
6.2.3. Les tests statistiques ... 134
6.3. Analyse discriminante entre les roches du Fuego et de l'Acatenango ... 137
6.3.1. Données ... 137
6.3.2. Résultats ... 139
6.3.3. Discussion ... 142
6.4. Analyse discriminante entre les roches de l'Acatenango Ancien, du Y epocapa et du Pico Central. ... 144
6.4.1. Données ... 144
6.4.2. Résultats ... 146
6.4.3. Discussion ... 148
6.5. Analyse discriminante entre les roches de la Meseta et du Fuego ... 150
6.5.1. Données ... 151
6.5.2. Résultats ... 152
6.5.3. Discussion ... 153
6.6. Analyse discriminante entre les roches des volcans Fuego, Acatenango et Agua ... 154
6.6.1. Données ... 154
6.6.2. Résultats ... 155
6.6.3. Discussion ... 157
6.7. Conclusions ... 158
CHAPITRE 7 DYNAMISMES ERUPTIFS ... 159
7 .1. Introduction ... 159
7 .2. Eruptions de type Bezymianny et de type Bandai ... 1 59 7 .2.1. Définitions et caractéristiques ... 159
7.2.2. Avalanches de débris ... 160
7.2.3. Blasts latéraux ... 161
7.3. Eruptions vulcaniennes ... 162
7.3.1. Eruptions de la Soufrière de St Vincent de 1902 et de 1979 ... 163
7.3.2. Eruption du Mayon de 1968 (Moore et Melson, 1969) ... 164
Table des matières v
7.3.3. Eruption du Fuego de 1974 (Davies et al., 1978) ... 165
7.3.4. Eruption du Ngauruhoe de 1975 (Nairn et Self, 1978) ... 166
7.3.5. Discussion ... 166
7.4. Eruptions pliniennes ... 168
7.4.1. Caractéristiques des éruptions pliniennes ... 169
7.4.2. Calcul du volume du niveau de ponces P-4 ... 170
Méthode de calcul du volume des dépôts de retombées ......... 170
Application au niveau P-4 ... 171
7.4.3. Modélisation de la hauteur de la colonne éruptive ... 175
Modèle de Carey et Sparks (1986) ...... 175
Application au niveau P-4 ... ...... 177
7.4.4. Eruption du Mt Spurr (Alaska) de 1992 ... 182
7.4.5. Discussion ... 183
7.5. Eruptions effusives ... 185
7. 5. 1. Coulées de lave et dômes ... 185
7.5.2. Coulées pyroclastiques associées ... 186
7.6. Eruptions historiques de l'Acatenango ... 187
7.6.1. Activités volcaniques de 1924 à 1927 ... 187
7.6.2. Eruption de 1972 ... 189
7.6.3. Discussion ... 190
7. 7. Conclusions ... 191
CHAPITRE 8 EVALUATION DES ALEAS ... 195
8.1. Introduction ... 195
8.2. Hypothèses sur l'activité éruptive future ... 196
8.2.1. Localisations possibles des futurs points d'émission ... 196
8.2.2. Définitions des scénarios éruptifs possibles ... 197
Eruptions phréatiques ...... 197
Eruptions pliniennes .............................................. 198
Eruptions vulcaniennes ...... 200
Eruptions de type Bezymianny ou Bandai ....................... 201
8.3. Zonations des aléas ... 201
8.3.1. Retombées de lapilli et de cendres (figure 64) ... 202
8.3 .2. Projections balistiques (figure 65) ... 203
8.3.3. Coulées pyroclastiques (figure 67) ... 206
8.3.4. Coulées de lave (figure 68) ... 209
8.3.5. Avalanche de débris (figure 69) ... 212
8.3.6. Blasts (figure 71) ... 216
8.3.7. Lahars (figure 72) ... 216
8.3.8. Autres aléas possibles ... 219
8.3.9. Discussion ... 221
8.4. Conclusions ... 222
CHAPITRE 9 CONCLUSIONS GENERALES .•... 223
9 .1. Conclusions générales ... 223
9.2. Recommandations ... 226
BIBLIGRAPHIE ... 229 ANNEXES
RESUME
HISTOIRE ERUPTIVE ET EVALUATION DES ALEAS DU VOLCAN ACATENANGO (GUATEMALA)
1
Le volcan Acatenango est situé à 40 km à l'WSW de Guatemala Ciudad. Il est jumelé au sud avec le Fuego, l'un des volcans les plus actifs de la chaîne volcanique quaternaire d'Amérique Centrale.
Une carte géologique, une colonne stratigraphique synthétique ainsi que 21 datations 14C sont présentées . Ces données permettent de situer l'âge de l'Acatenango entre 84'000 et 58'000 ans BP et de reconstituer son histoire en trois périodes éruptives distinctes, caractérisées chacune par l'activité d'un centre éruptif particulier: l'Acatenango Ancien, le Y epocapa et le Pico Central. Les coulées de lave de l'Acatenango Ancien forment la base de l'édifice volcanique.
La fin de l'activité de ce centre éruptif (entre 70'000 et 43'000 ans BP) est marquée par l'effondrement de son flanc SW, à l'origine d'un dépôt d'avalanche de débris que l'on retrouve jusqu'à La Democracia, situé à 40 km au sud. Le Y epocapa est très actif jusqu'à 20'000 ans BP, avec l'émission de nombreuses coulées pyroclastiques de type scories et cendres. Le Pico Central s'édifie ensuite et produit des dépôts de retombées de ponces et, lors des dernières éruptions majeures de l'Acatenango (entre 2'330 et 1'860 ans BP), des dépôts de retombées de scories rubanées. Un modèle d'évolution générale du complexe volcanique Fuego-Acatenango met particulièrement en évidence les changements importants survenus à l'Acatenango il y a 20'000 ans BP: migration de l'activité volcanique vers le sud, diminution de la fréquence éruptive et émission de magmas plus différenciés. Ces changements sont associés à l'apparition du volcan Fuego sur son flanc sud.
164 analyses pétrographiques indiquent une prédominance d'andésites à 2 pyroxènes durant toute l'histoire de l'Acatenango, et d'andésites à hornblende, issues du Pico Central. 93 analyses géochimiques indiquent que la composition chimique des roches s'étend des basaltes aux dacites (51.6 - 64.2 % Si02). La cristallisation fractionnée et les mélanges magmatiques apparaissent être deux processus intervenant dans la genèse et l'évolution des magmas de l'Acatenango. Un modèle possible à trois chambres magmatiques est proposé.
Les différences géochimiques, entre les roches des volcans Fuego, Acatenango et Agua, et entre les centres éruptifs Acatenango Ancien, Y epocapa , Pico Central, Meseta et Fuego, sont explorées avec une méthode statistique multivariée, l'analyse discriminante. Cette méthode s'est avérée être un outil essentiel pour la reconstitution de l'évolution du complexe Fuego- Acatenango. Elle amène des arguments nouveaux pour déterminer la source de dépôts d'origine inconnue et, lorsqu'elle est couplée à des données géochronologiques, permet de préciser l'âge d'événements particuliers. Ce travail met donc en évidence l'intérêt de l'analyse discriminante appliquée à des données géochimiques en roche totale issues d'un petit complexe volcanique quaternaire, et ouvre des perspectives de recherches intéressantes pour l'étude des stratovolcans ou de la stratigraphie régionale au Guatemala.
De nombreux dynamismes éruptifs se sont produits dans l'histoire de l'Acatenango: au moins une éruption de type Bezymianny ou Bandai, ainsi que des éruptions vulcaniennes, supbliniennes, effusives et phréatiques. Ces dynamismes éruptifs permettent de définir 4 scénarios en cas de future éruption, avec 7 types d'aléas associés: les retombées pyroclastiques, les projections balistiques, les coulées pyroclastiques, les coulées de lave, les avalanches de débris, les blasts et les lahars. Une carte de zonation pour chacun de ces aléas est finalement proposée.
RESUMEN
HISTORIA ERUPTIV A Y EV ALUACION DE LAS AMENAZAS DEL VOLCAN ACATENANGO (GUATEMALA)
El volcan Acatenango esta localizado a 40 Km al Sur-Oeste de la ciudad de Guatemala. Al Sur y muy contiguo a él se encuentra el volcan de Fuego, uno de los mas activas de la cadena volcanica cuaternaria de Centra America.
En este trabajo se presentan un mapa geol6gico, una columna estratigrafica sintética asimismo que 21 dataciones I4C. Estos datos permiten situar la edad del Acatenango entre 84'000 y 58'000 afios BP y de reconstituir su historia en tres periodos eruptivos distintos caracterizados cada uno por la actividad de un centra eruptivo particular: el Acatenango Antigua, el Y epocapa y el Pico Central. Las coladas de lava del Acatenango Antigua forman la base del edificio volcanico. El final de su actividad (entre 70'000 y 43'000 afios BP) esta mm·cada por un desplome del flanco Sur-Oeste, originando un dep6sito de avalancha de escombros que alcanza La Democracia a 40 Km al Sur. El Y epocapa se mantiene activa hasta 20'000 afios BP, produciendo numerosas coladas piroclasticas de tipo escoria y ceniza. El Pico Central se edifica enseguida produciendo dep6sitos de caidas de pomez y durante sus ultimas erupciones mayores (entre 2'330 y 1 '860 afios BP) producci6n de dep6sitos de caidas de escorias
"bandeadas". Finalmente un modela de evoluci6n general del complejo volcanico Fuego- Acatenango pone de manifiesto los cambios importantes acontecidos en el Acatenango hace 20'000 afios BP: migraci6n de la actividad hacia el Sur, disminuci6n de la frecuencia eruptiva y emisi6n de magmas mas diferenciados. Estos cambios estan asociados a la aparici6n del volcan de Fuego sobre su flanco Sur.
164 analisis petrograficos indican una predominancia de andesitas a dos piroxenos durante toda la historia del Acatenango, y de andesitas a hornblenda, originarias del Pico Central. 93 amilisis geoqufmicos indican que estas rocas van des de los basaltos hacia las dacitas ( 51.6 - 64.2 % Si02). Los fen6nenos de cristalizaci6n fraccionada y mezclas magmaticas, parecen ser dos procesos interviniendo en la génesis y evoluci6n de los magmas del Acatenango. Se propane un modela posible a tres camaras magmaticas.
Las diferencias geoquimicas entre las rocas de los volcanes Fuego, Acatenango y Agua y entre los centras eruptivos Ancatenango Antigua, Yepocapa, Pico Central, Meseta y Fuego son exploradas mediante un método estadistico multivariado, el analisis discriminante. Este método di6 muestras de ser una herramienta esencial para la reconstituci6n de la evoluci6n del complejo Fuego-Acatenango. Ademas aporta argumentas nuevos en la determinaci6n de la fuente de dep6sitos de origen desconocido y cuando se acopla a datos geo-cronol6gicos, permite precisar la edad de eventas particulares. Este trabajo hace resaltar pues, el interés del analisis discriminante aplicado a un pequefio complejo volcanico cuaternario con datas geoquimicos en roca total y abre perspectivas de investigaci6n interesantes para el estudio de los estrato-volcanes ode la estratigraffa regional de Guatemala.
Numerosos dinamismos eruptivos se produjeron a lo largo de la historia del Acatenango. Una erupci6n del tipo Bezymianny o Bandai, erupciones vulcanianas, sub-plinianas, efusivas, y freaticas. Estos dinamismos eruptivos permiten definir cuatro escenarios posibles acompanados de 7 tipos de amenaza asociados en caso de una erupci6n futura: caidas piroclasticas, proyecciones balisticas, coladas de lava, avalanchas de escombros, "blasts" y lahares. Finalmente se propane un mapa de zonaci6n para cada una de las amenazas antes mencionadas.
1
ABSTRACT
ERUPTIVE HISTORY AND HAZARDS ASSESSMENT OF ACATENANGO VOLCANO (GUATEMALA)
Acatenango volcano is located 40 km WSW of Guatemala City. lt is twined southwards to Fuego, one of the most active volcanoes of the quaternary volcanic chain in Central America.
A geological map, a synthetic stratigraphie section and 21 14C datings are presented and discussed. These datas enabled to estimate the age of Acatenango between 84'000 and 58'000 years BP and to reconstruct its history into three distinctive eruptive periods, each of them characterized by the activity of a particular eruptive centre: Ancient Acatenango, Yepocapa and Pico Central. The lava flows of Ancient Acatenango form the basis of the volcano. The activity of this eruptive centre ended between 70'000 and 43'000 BP by the collapse of its SW flank, generating avalanche debris deposits located as far as La Democratia, 40 km southwards. Y epocapa was very active until 20'000 BP, with emission of many scoria and ash pyroclastic flows. Follows the build-up of Pico Central with emission of pumice fallout and banded scoriae fallout during the last major eruptions (2'330 - 1 '860 BP). A madel of the evolution of Fuego-Acatenango volcanic complex highlights the important changes occurred to Acatenango 20'000 years aga: migration of volcanic activity to the south, decrease of eruptive frequency and emission of more differentiated magmas. These changes are associated with the apparition of Fuego volcano on its southern flank.
164 petrographie analyses show that during the who le history of Acatenango most of the rocks are two pyroxenes andesites and hornblende andesites (Pico Central). 93 geochemical analyses indicate that the composition of the rocks ranges from basalts to dacites (51.6 - 64.2
% Si02). Fractionated crystallisation and magma mixing seem to be the two main processes in the genesis and the evolution of the Acatenango magmas. A possible mode! with three magmatic chambers is proposed.
The geochemical differences between the rocks of Fuego, Acatenango and Agua volcanoes and between the rocks of the eruptive centres of Ancient Acatenango, Y epocapa, Pico Central, Meseta and Fuego are studied by the means of a multivariate statistical technique, the discriminant analysis. This approach was an essential tool for the reconstruction of the evolution of Fuego-Acatenango complex. Discriminant analysis gives new arguments for finding the source of deposits of previously unknown origin. When coupled with geochronological datas, the ages of various volcanic events can be precised. This work illustrates the efficiency of discriminant analysis when applied to geochemical data from a small quaternary volcanic complex. lt also gives new research perspectives for regional stratigraphy studies in Guatemala and for stratovolcano studies in general.
During the history of Acatenango, many different eruptive styles occured: at least one Bezymianny or Bandai eruption, and severa! vulcanian, subplinian, effusive and phreatic eruptions. These different eruptive styles lead to the definition of four scenarios for future eruptions, with seven associated hazards: pyroclastic falls, balistic projections, pyroclastic flows, lava flows, debris avalanches, blasts and lahars, for which this work finally presents hazard maps.
1
REMERCIEMENTS
Avant d'être une expérience scientifique passionnante, mes années de thèse ont surtout été une expérience humaine hors du commun et très enrichissante. Je dois cela principalement aux nombreux séjours effectués au Guatemala, et à toutes les personnes que j'y ai rencontrées et côtoyées, et dont certaines sont devenues de véritables amis.
Je tiens donc à remercier très chaleureusement deux personnes, deux amis, qui m'ont accompagné dans la plus grande partie du travail de terrain et qui m'ont été d'une aide précieuse et d'un dévouement total, malgré des conditions parfois difficiles. Il s'agit de GUSTAVO CHIGNA MARROQUIN et de FREDDY V ARGAS. Si les galères ont été nombreuses, je suis persuadé que, comme moi, ils garderont en souvenir les meilleurs moments passés à découvrir les volcans du Guatemala. A los dos: muchissimas gracias para todo!
Toutes les autres personnes de la section de volcanologie d'INSIVUMEH m'ont également apportés leur sympathie et leur aide dévouée. Je remercie sincèrement FRANCISCO ALvAREZ, SUZETTE CASTELLANOS, LEYLA DELL, RANDO DE LEON MINERA, ERICK GIRON, ÜTONIEL MATIAS, RODOLFO MORALES PENA, EDGAR PORAS et ROBERTO Sous. De nombreuses autres personnes d'INSIVUMEH ont apporté leur collaboration et leur aide à l'installation du réseau sismique. Je remercie également VICTOR CONTRERAS, HUMBERTO LEON, ADOLFO ESTUARDO LOFEZ, ARSENIO MALDONADO, LEONEL MORALES, JUAN SANCHEZ, JORGE SOLARES, EDWING VELASQUEZ et MARIO VILLIGRAN.
Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance aux personnes qui m'ont apporté un énorme soutien lors de mes séjours au Guatemala. Il s'agit de Madame et Monsieur MUN"oz, ainsi que de LA TIA, DANIEL et SERGIO, qui m'ont toujours chaleureusement accueillis chez eux. Il s'agit aussi de CLAUDE et ALINE GINET, du CEPREDENAC, qui m'ont conseillé et initié aux merveilles du Guatemala durant mes premiers pas dans ce magnifique pays. Il s'agit également de toute la famille CHIGNA MARROQUIN, JUANA, ASTRID, KEVIN et PAQUITO, de ANAITE PORRAS, WALTER et ANNA ESCOBAR, ainsi que de REBECCA BECHARD et VINCENT VILLARS avec qui j'ai passé des "moments magiques". MARTIN SIS, qui a participé à toutes les expéditions au sommet de l'Acatenango, et toute sa (grande) famille de La Soledad, ainsi que les deux fidèles observateurs du volcan Pacaya, LUIZ et ];>ASTOR, m'ont toujours apporté leur concours lorsqu'il s'agissait de gravir ces deux volcans. A vous tous et pour tous les moments privilégiés passés avec vous: muchas gracias!
Je remercie aussi les deux directeurs qui se sont succédés à la tête d'INSIVUMEH, Messieurs E. VELAZQUEZ-V AZQUEZ et E. SANCHEZ-BENNETT. Je remercie également le personnel de l'AMBASSADE DE SUISSE en activité durant mes séjours au Guatemala, qui m'a apporté un soutien logistique important.
Si l'expérience humaine vécue au Guatemala a été intense, celle vécue à l'Université de Genève n'en a pas été moins importante! Je le dois surtout à de nombreux amis dont les qualités humaines sont remarquables.
MARKUS KESSELER, CARLOS MuNOZ et MIRKO STAUFFACHER occupent une place particulière dans ces remerciements. Non seulement leurs encouragements ont été incessants durant toute la durée de cette thèse mais en plus ils n'ont pas hésité une seconde à mettre la main à la pâte lors de la réalisation finale de ce travail. Ils ont également été des compagnons de terrain, au
1
Guatemala ou en Sicile, et des compagnons de soirées mémorables. Ces années passées ensemble ont construit une grande amitié. Merci!
C'est avec un autre ami, JEAN-CHARLES GENTILE, que j'ai goûté aux joies et aux peines de la volcanologie, tout d'abord sur les pentes de l'Etna, puis au Fuego et à l'Acatenango. La découverte du Guatemala en ta compagnie fut une formidable aventure que je ne suis pas prêt d'oublier. Pour tous les moments privilégiés passés ensemble, merci Jean-Charles!
Le responsable de tout ça le voilà! C'est JACQUES METZGER! Je ne pouvais pas me douter qu'un jour de mars 1984, lorsque tu m'as entraîné pour la première fois sur les volcans de Sicile, j'allais attraper un virus diabolique qui n'allait plus me lâcher et qui m'a poussé à commettre un diplôme, puis une thèse. C'est dire que sans toi, tout ce que j'ai vécu de merveilleux sur les volcans ne se serait peut-être jamais passé! Merci Jacques, pour le virus, et pour le temps passé à préparer les diapos de la soutenance.
Je remercie également très chaleureusement PIERRE VETSCH et FRANCE BECHON, qui, tout d'abord comme assistant, m'ont fait découvrir le monde passionnant de la volcanologie, et ensuite comme amis, n'ont jamais cessé de m'encourager et de me soutenir durant ces longues années de thèse.
Je remercie également vivement tous les collaborateurs du département de Minéralogie de l'Université de Genève, et en particulier JACQUELINE BERTHOUD, pour les nombreux services rendus et son sourire constant et absolument charmant, VICTOR CORNUT pour la réalisation des lames minces et sa bonne humeur contagieuse, MICHELE SENN-GERBER, pour les analyses géochimiques et sa patience légendaire, et STEPHANE JORDI, l'homme qui pense plus vite que les ordinateurs, pour ses compétences informatiques. Je remercie également NANCY RHis, pour son aide dans mes recherches bibliographiques, "magic" GILBERT ÜVERNEY pour ses remarquables bricolages et sa grande disponibilité, ainsi que EDDY GSELL pour tous les services rendus et les grandes frappes dans le dos!
Mes remerciements vont également à toutes les amies et à tous les amis qui m'ont accompagnés et encouragés pendant ces longues années d'études: CATHERINE ANNEN, YVONNE, DOMINIQUE et NICOLAS BERLIE-MILLER, PATRICK CHARLIER, PATRICIA, ISA et DANILO DONINELLI, ALAIN DROUX, MERCEDES FERRES, CORINE FRISCHK.NECHT, VICTOR GARCIA, LOLI et VALENTIN GENTILE, Y ASMINE GOLA Y, RICHARD GOUJON, SIMA, SARAH et MICHEL HALKOUTSAKIS, ROLF HAUBRICHS, DOMINIQUE HOLLY, CLAIRE, ESTELLE et NICOLAS I<RATTINGER, CARMEN, MICHAEL et PIERRE KUNZ, ANTHONY LEI-IMAN, FRANÇOIS LIEBEN, MONA et VINCE HAMILTON-LUNDIN, ROBERT MARSCHIK, BRUNO MAR'11NELL1, PH1L1PPE MA.UNOIR, ALLA METLENKO, MARIA LOUISA MONSALVE, ROBERT MORITZ, CATIA MOSCHELLA, ANNE et EMILIE MuNOZ, MARIE-PIERRE et PHILIPPE PELT, KRISTEN RISNES, ALI ÜUKAFI, PHILIPPE ROSSET, SOUAD SELLAMI, WANDA STRYJENSKA, CHUAN MIN SUN, CARMEN et YANIRA VETSCH, MARGHARITA et ALEX WAEHRY, GILLES WüST et DOMINIQUE ZûRCHER.
J'ai également une pensée émue pour KATIA et MAURICE KRAFFT, disparus sur les pentes du volcan Unzen en 1991.
Je remercie Messieurs J.-J. WAGNER et M. DELALOYE pour m'avoir proposé ce travail. Je remercie le CORPS SUISSE D'AIDE EN CAS DE CATASTROPHES pour avoir financé les voyages et les séjours au Guatemala ainsi que les analyses 14C. Je tiens également à remercier Messieurs L.
STIELTJES, du BRGM, J. TOMBLIN de l'ONU et M. DUNGAN de l'Université de Genève pour avoir accepté de faire partie du jury de cette thèse.
Je remercie EMMANUEL CASTELLA, du Laboratoire d'Ecologie et de Biologie Aquatique de l'Université de Genève, ainsi que Monsieur F. STREIT, de la section de mathématiques de
Remerciements XI
l'Universié de Genève, pour leurs précieux conseils sur les statistiques multivariées. J'exprime également ma sincère reconnaissance à BILL RosE, du Michigan Technological University, et à MIKE CARR, de Rutgers University, pour m'avoir transmis des données géochimiques.
Je remercie aussi toute ma famille, en particulier VALERIE et FLAVIEN PAGLIOITI, ISABELLE, JANINE, GEORGEs et GILLES STAHLI, et avec un clin d'oeil tout spécial pour SARAH et LAURINE!
Finalement je remercie très chaleureusement trois personnes qui non seulement m'ont aidés et beaucoup soutenu tout au long de mes études mais qui en plus occupent une place toute particulière dans ma vie: MES PARENTS et VALERIE. Aucun mot ne pourra jamais transcrire ce que j'éprouve au fond de mon coeur pour vous. Sachez seulement une chose, je vous aime, et pour toujours!
Figure 29 - Diagramme AFM (Irvine et Baragar, 1971) pour les roches du volcan
Acatenango et de son soubassement ... 104 Figure 30- Diagramme K20 versus Si02 (Le Maître, 1989) pour les roches du
volcan Acatenango et de son soubassement ... 104 Figure 31 - Diagramme TAS (Le Maitre, 1989) pour les roches du volcan
Acatenango et de son soubassement ... 105 Figure 32- Diagrammes de Harker des éléments majeurs ... 107 Figure 3 3 - Diagrammes de Harker des éléments traces ... 1 09 Figure 34- Variations géochimiques temporelles des roches du Yepocapa sur des
séquences stratigraphiques continues ... 112 Figure 35 - Evolution des teneurs en Si02 des produits de I'Acatenango au cours de
son histoire ... 113 Figure 36 - Représentation schématique d'un modèle possible de chambres
magmatiques pour le complexe Fuego-Acatenango ... 123 Figure 37- Illustration du principe de l'analyse discriminante dans un espace à 2
dimensions avec 2 groupes caractérisés par une distribution normale et
des matrices de covariances semblables (modifié de Davis, 1986) ... 128 Figure 38- Représentation graphique des résultats de l'analyse discriminante entre
les roches des volcans Fuego et Acatenango ... 141 Figure 39- Projection des échantillons de l'Acatenango provenant de la base de
données CENTAM (Carr et Rose, 1987) sur la fonction discriminante
FI séparant les groupes Fuego et Acatenango ... 143 Figure 40 - Représentation graphique des résultats de l'analyse discriminante entre
l'Acatenango Ancien, le Y epocapa et le Pico Central ... 148 Figure 41 - Projections des échantillons de l'Acatenango provenant de la base de
données CENT AM (Carr et Rose, 1987) dans l'espace discriminant défini par les deux fonctions discriminantes FI et F2 qui séparent les
groupes Acatenango Ancien, Y epocapa et Pico Central.. ... 150 Figure 42 - Projection des échantillons des groupes Fuego et Meseta le long de la
fonction discriminante ... 152 Figure 43 - Représentation graphique des résultats de l'analyse discriminante entre
les groupes Fuego, Acatenango et Agua et projections des analyses de
l'Acatenango de CENT AM ... 156 Figure 44 - Représentation graphique des résultats de l'analyse discriminante entre
les groupes Fucgo, Acatcnango ct Agua avec les données de CENTAM ... l57 Figure 45 - Distance parcourue en fonction du dénivelé pour l'avalanche de débris de
l'Acatenango Ancien comparé à d'autres avalanches de débris et d'autres
phénomènes volcaniques (d'après Si ebert, 1984) ... 161 Figure 46 - Carte des principaux dépôts de l'éruption du Mt St Helens du 18 mai
1980 (tiré de Francis, 1993) ... 162 Figure 47- Carte montrant la distribution des produits de l'éruption du Mayon
(Philippines) de 1968, d'après Moore et Melson (1969). Tiré de Francis
(1993) ... 164 Figure 48 - Carte des coulées pyroclastiques et des retombées de cendres de
l'éruption du Fuego (Guatemala) de 1974 (Da vies et al., 1978) ... 165 Figure 49 - Courbes granulométriques cumulatives des couches inférieure et supé-
rieure du niveau de ponce P-4 (échantillon situé à 3.8 km de la source) ... 171 Figure 50 - Graphique ln(E)/d pour les couches inférieure et supérieure du niveau P-
4, avec les droites de régressions ... 172
XIV Liste des figures
Figure 51 - Isopaques des épaisseurs en cm des couches supérieure et inférieure du
niveau P-4 ... 0 0 • • 0 0 • •• • •• • • • • •••• •• • ••• ••••• • • • • • • • • • • • • • ••••• • ••• •• • • • • • • • • • • • ••••• • • • • • • ••• • • • • • 173 Figure 52- Graphique ln(E)/A112 pour les couches inférieure et supérieure du niveau
P-4 avec les droites de régression ... 174 Figure 53 - Dynamique d'un panache d'éruption volcanique (Sparks, 1986, tiré de
Bardintzeff, 1991 ) ... 176 Figure 54 - A. Enveloppe de support des clastes pour une colonne éruptive dont H8
= 20 km B. Illustration du principe de la plus grande dispersion des clas-
tes pour des plus grandes colonnes éruptives (Carey et Sparks, 1986) ... 177 Figure 55 - Représentation schématique de l'influence du vent sur la trajectoire de
trois clastes issus d'une colonne éruptive (Carey et Sparks, 1986) ... 178 Figure 56- Cartes des isoplethes de la taille maximale des ponces (A) et des
lithiques (B) du niveau P-4, en mm ... 0 0 . 179 Figure 57- Diagrammes demi-largeur versus longueur des isoplethes pour des
diamètres de clastes de 0.8 et 1.6 cm de diamètre avec une masse
volumique de 2500 kg/m3 .............................................. 180 Figure 58 - A droite: carte montrant les étendues des panaches des éruptions du Mt
Spurr de 1992 (Alaska Volcano Observatory, 1993). A gauche: carte du
Guatemala à la même échelle que celle du Mt Spurr ... 182 Figure 59 - Carte des cratères de la région sommitale de l'Acatenango (Sapper,
1918) ... 188 Figure 60 - Histoire de l'Acatenango avec l'ensemble des principaux événements
connus s'y étant produits ... 193 Figure 61 - Localisations possibles des futures points d'émissions de l'Acatenango,
classés par ordre de probabilité décroissante ... 197 Figure 62 - Scénarios éruptifs possibles et aléas associés en cas de nouvelle crise
volcanique à l'Acatenango, en référence aux 20'000 dernières années ... 199 Figure 63 - Direction des vents en pourcentage temps pour les 12 mois de l'année,
avec la moyenne annuelle (selon Mercado et al., 1988) ... 204 Figure 64 - Carte d'aléa des retombées pyroclastiques ... 205 Figure 65 - Carte d'aléa des projections balistiques ... 207 Figure 66- A: illustration du concept de ligne d'énergie. B: illustration du concept
de cône d'énergie. C: Modélisation par le cône d'énergie centré sur le sommet de I'Acatenango (altitude 4000 rn) pour des valeurs HILde 0.4,
0.3 et 0.2 ... 210 Figure 67 - Carte d'aléa des coulées pyroclastiques ... 0 0 • •• ·o. 0 0 •• 211 Figure 68 - Carte d'aléa des coulées de lave ... 0 . . 0 0 . . 0 0 . . . 0 0 0 . . . .. . 0 0 . . . . 0 0 . . 0 0 0 0 . . 0 0 0 0 . . . .. . 0 0 0 . . . . 0 213 Figure 69 - Carte d'aléa des avalanches de débris ... 0 . . . . 0 0 0 . . 0 . . . .. . . 0 . . . . 0 0 0 . . .. . . 0 0 . . Ooo 215 Figure 70 - Carte d'aléa des blasts .. 0 0 . . . . 0 0 0 . . . .. .. .. . . .. .. . . 0 0 . . 0 0 0 . . . .. . 0 0 0 . . 0 0 .. . . 0 . . . 218 Figure 71 - Carte d'aléa des lahars ... oo ... oo ... oooo ... o .. o ... 0 . . . .. .. 220 Figure 72 - Moyennes pluviométriques mensuelles basées sur une période de
mesures de 44 ans (1928 - 1972) . Station La Delicias, située environ 20
km à l'ouest de l'Acatenango (IGN, 1974)oo ... o .. oooo .... o ... oo ... 217
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 - Ages et ongmes probables des pnnctpaux dépôts de retombées de ponces observés sur les flancs ou aux alentours du volcan Acatenango ... 57 Tableau 2 - Résumé des similitudes et des différences pétrographiques entre les
roches des volcans Fu ego et Acatenango ... 93 Tableau 3 - Résumé des similitudes et des différences pétrographiques entre les
roches des paires de volcans Fuego-Acatenango et Atitlan-Toliman ... 95 Tableau 4 - Etendues, moyennes, coefficients de corrélation, pentes des droites de
régression et valeurs de la normalisation à Si02 = 55 % pour les
éléments majeurs ... 106 Tableau 5 - Etendues, moyennes, coefficients de corrélation, pentes des droites de
régression et valeurs de la normalisation à Si02
=
55 % pour leséléments traces ... 110 Tableau 6 - Résultats des régressions linéaires et de la normalisation des éléments à
55% de Si02 pour chaque centre éruptif de l'Acatenango ... 114 Tableau 7 - Caractéristiques géochimiques des éléments majeurs et des éléments
traces des roches du Fuego selon les données à Chesner (1982):
étendues, moyennes, coefficients de corrélation, pentes des droites de
régression et valeurs de la normalisation à Si02 =55% ... 116 Tableau 8 - Analyses géochimiques de la roche la plus basique du Pico Central
(Acatenango) et du magma parent des volcans Fuego et Santa Maria ... 120 Tableau 9 - Groupes Fu ego et Acatenango et nouveaux échantillons à classer ... 138 Tableau 10 - Moyennes, écart-types et étendues des éléments majeurs et des éléments
traces pour les groupes Fuego et Acatenango ... 139 Tableau Il - Résultats de l'analyse discriminante entre le Fuego et l'Acatenango ... 140 Tableau 12 - Résultats de la classification des échantillons des groupes Fuego et
Acatenango ... 140 Tableau 13 - Groupes Acatenango Ancien, Yepocapa et Pico Central et nouveaux
échantillons à classer ... 145 Tableau 14-Moyennes, écart-types et étendue des éléments majeurs et des éléments
traces pour les trois groupes Acatenango Ancien, Y epocapa et Pico
Central ... 145 Tableau 15 - Résultats de l'analyse discriminante sur les trois groupes Acatenango
Ancien, Y epocapa et Pico Central ... 146 Tableau 16-Résultats de la classification des échantillons de l'Acatenango Ancien, du
Yepocapa et du Pico Central ... 147 Tableau 17- Moyennes, écart-types et étendues des éléments majeurs et des éléments
traces pour les deux groupes Meseta et Fuego ... 151 Tableau 18 -Résultats de l'analyse discriminante entre les deux groupes Meseta et
Fuego ... 152 Tableau 19 -Résultats de la classification des échantillons des groupes Fuego et
Meseta ... 153 Tableau 20- Groupes Fuego, Acatenango et Agua et nouveaux échantillons à classer ... 154 Tableau 21 - Moyennes, écart-types et étendues des éléments majeurs et des éléments
traces pour les groupes Fuego, Acatenango et Agua ... 155 Tableau 22 - Résultats de l'analyse discriminante entre les groupes Fuego, Acatenango
et Agua ... 155
1
Tableau 23 - Résultats de la classification des échantillons des groupes Fuego,
Acatenango et Agua ... 157 Tableau 24 - Caractéristiques des éruptions de type Bezymianny et de type Bandai
(Siebert et al., 1987) ... 160 Tableau 25 - Caractéristiques générales des éruptions vulcaniennes basées sur les
description des éruptions de la Soufrière de St Vincent (1902 et 1979),
du Mayon (1968), du Fuego (1974) et du Ngauruhoe (1975) ... 168 Tableau 26 - Résumé des données et des résultats des calculs de volumes effectués
sur le niveau de ponces P -4... 17 5 Tableau 27 - Caractéristiques des isoplethes et valeurs obtenues pour la hauteur de la
colonne éruptive selon le modèle à Carey et Sparks ( 1986) ... 180 Tableau 28 - Résumé des paramètres de l'éruption du niveau P-4 (Pico Central) daté à
environ 12'500 ans BP ... 181 Tableau 29- Comparaison entre les niveaux P-4, P-3, P-2 des épaisseurs et de la taille
maximale des ponces et des lithiques en 4 endroits différents ... 184 Tableau 30- Caractéristiques des éruptions subpliniennes récentes (< 20'000 ans BP)
de l'Acatenango déduite de la modélisation de l'éruption du niveau P-4 et
des observations de l'éruption du Mt Spurr de 1992 ... 184 Tableau 31 - Caractéristiques générales des éruptions effusives basées sur les
observations des coulées de lave de l'Acatenango et d'éruptions historiques, notamment celles de la Montagne Pelée en 1902, de l'Unzen
entre 1991 et 1995 et du Merapi en 1984 ... 187 Tableau 32 - Caractéristiques des éruptions historiques de l'Acatenango (1924-1927
et 1972) ... 190 Tableau 33 -Paramètres utilisés dans le modèle du cône d'énergie ... 208
AFM AGU ASC AVO BGVN BP
CENT AM COL DRE E
EAVEG IDNDR IGM IGN
INSIVUMEH IUGS
MNT N
ONU
PH20 PVOT QAPF
s
TAS UNDRO UNESCO USGS VEI
w
LISTE DES ABREVIATIONS
Alcalins (N~O+K20), Fer (FeO*), Magnésium (MgO) American Geological Union
Corps Suisse d'Aide en Cas de Catastrophes Alaska Volcano Observatory
Bulletin ofthe Global Volcanism Network Before Present
Base de données géochimiques et pétrologiques sur les volcans d'AMérique CENTrale
Indice de coloration Dense Rock Equivalent Est
Estudio de la Amenaza Volcanica En Guatemala International Decade for Natural Disaster Reduction Instituto Geografico Militar
Instituto Geografico Nacional
Instituto Nacional de Sismologia, Vulcanologia, Meteorologia e Hydrologia International Union of Geological Sciences
Modèle Numérique de Terrain Nord
Organisation des Nations Unies Pression d'eau
Pinatubo Volcano Observatory Team
Quartz-Feldspaths Alcalins-Plagioclases-Feldspathoïdes Sud
Total Alkali versus Silica
Office of the United Nations Disaster ReliefCo-ordinator United Nations Educational Scientific and Cultural Organization United States Geological Survey
Volcanic Explosivity Index Ouest
1
CHAPITRE 1 ÎNTRODUCTION
Ce chapitre d'introduction commence par évoquer la relation ambiguë existant entre les hommes et les volcans. Il décrit ensuite les méthodologies permettant de faire une évaluation à long terme des aléas volcaniques. Il introduit le volcan Acatenango et passe en revue les connaissances scientifiques acquises lors d'études précédentes. Pour terminer, il fixe les objectifs du présent travail.
1.1. L'homme et les volcans
L'homme a toujours eu un comportement ambigu devant les volcans: peur du déchaînement des éléments, vénération des dieux occupant les cratères, colère devant l'inévitable, et finalement (et presque systématiquement!) retour dans des zones régulièrement affectées par les éruptions. Ce comportement, qui apparaît a priori irrationnel, se comprend lorsque l'on considère l'attrait que constituent les volcans pour les hommes, car, contrairement à une idée très largement répandue, les volcans ne provoquent pas seulement terreur et destruction! Ils ont même une influence très nettement positive sur plusieurs centaines de millions de personnes dans le monde puisque la vie économique, culturelle et parfois religieuse de nombreuses régions dépend plus ou moins directement du volcanisme.
Il existe de très nombreux exemples de l'attrait économique du volcanisme. On n'en citera ici que quelques-uns. Il y a la géothermie, exploitée parfois à grande échelle en Islande ou aux Etats-Unis, et qui représente actuellement environ 0.5 % de la production électrique mondiale (Bowen, 1990). Il y a également l'industrie touristique, très prospère dans certaines régions, qui s'est largement appropriée les superbes paysages des zones volcaniques (et parfois même les éruptions) attirant de nombreux touristes. Il y a ensuite les exploitations diverses qui sont nombreuses sur les volcans éteints et actifs. Le soufre natif, par exemple, est récupéré dans les cratères ou les flancs de volcans au Chili, en Colombie et en Indonésie. Une fois transformé en acide sulfurique, il est utilisé comme produit de base par l'industrie chimique. L'exploitation en carrières de coulées de lave refroidies est courante dans de très nombreuses régions volcaniques. On en extrait un excellent matériau de construction, très résistant à l'érosion, pour le pavage des routes et les bâtiments. Quant à l'obsidienne, elle a été recherchée depuis la haute Antiquité pour la confection d'outils, d'armes, de bijoux ou de statuettes.
Les produits des éruptions explosives ont aussi un intérêt économique certain pour les hommes. On ne mentionnera que les lapilli (pouzzolanes) utilisés dans les cimenteries ou comme granulats. Les ponces sont également recherchées pour leur pouvoir abrasifs et réfractaires (Bardintzeff, 1991 ). Cependant, le principal bienfait des volcans explosifs sont les cendres volcaniques qui, sous climat tropical humide, fertilisent les sols et permettent aux cultures de donner plusieurs récoltes par an: elles constituent donc un véritable engrais qui tombe du ciel! Dans les pays du sud à forte population rurale, on comprend l'importance d'une telle providence.
Pourtant les populations vivant à proximité des volcans savent mieux que quiconque qu'il y a un tribut à payer pour bénéficier des bienfaits du volcanisme. Dans la mythologie des peuples, les volcans sont souvent le siège de divinités éternelles qui détiennent le pouvoir de vie ou de mort sur les humbles mortels. Ceux-ci les craignent et leur adressent prières et offrandes afin
1
d'apaiser ou de détourner leur courroux. Ce courroux, exprimé sous la forme d'environ 60 éruptions par année sur l'ensemble ùe la planète, cause régulièrement, et de plus en plus souvent, des victimes (Siebert et Simkin, 1994). Depuis l'an 1000, plus de 300'000 personnes ont été tuées, directement ou indirectement, par une activité volcanique, la zone circum- pacifique ("la ceinture de feu du Pacifique") ayant subi les plus grandes pertes. Durant le
XXième siècle, la moyenne par année de pertes en vie humaines (880) a été plus élevée que celle des trois siècles précédents (660), malgré l'avènement de la volcanologie moderne et de moyens de surveillance de plus en plus sophistiqués. De plus, on constate durant ce dernier siècle, que les victimes causées par des phénomènes indirects (famines, tsunamis) ont considérablement diminué, alors que les victimes provoquées par des phénomènes directs (coulées pyroclastiques, coulées de boues) ont très fortement augmenté (Blong, 1984; Tilling, 1989).
Cette augmentation dramatique du nombre de victimes, qui est d'ailleurs également observée pour les autres types de catastrophes naturelles (tremblements de terre, inondations, cyclones, etc.), s'explique non seulement par l'attrait qu'exercent les volcans sur les hommes, mais surtout par l'explosion démographique. Celle-ci, particulièrement marquée dans les pays du sud déjà densément peuplés, provoque une pression de plus en plus grande sur les ressources naturelles et pousse des millions de personnes à s'installer dans des zones à haut risque volcanique, parfois même en toute connaissance de cause. En 1986, D. W. Peterson a estimé qu'environ 360 millions de personnes, soit environ 10% de la population mondiale, vivaient sur ou près de volcans potentiellement dangereux. En considérant une augmentation moyenne de la population mondiale de 2 % par année, on peut estimer ce nombre de personnes à plus de 430 millions en 1995.
Ces constatations alarmantes sur le nombre croissant des victimes des catastrophes naturelles a amené l'Organisation des Nations Unies (ONU) à promouvoir la prévention. C'est ainsi que l'ONU a décrété formellement les années 1990-2000 comme décennie internationale pour la réduction des catastrophes naturelles (IDNDR). L'objectif de l'IDNDR est de prévenir les catastrophes naturelles afin de diminuer les pertes en vie humaine, les dommages aux infrastructures et les problèmes sociaux qui en découlent (Merani, 1990). La prévention est apparue d'autant plus importante à promouvoir qu'elle est un facteur clé pour le développement des pays du sud, qui sont par ailleurs les plus vulnérables aux catastrophes naturelles. M. B.
Anderson (1990) concluait ainsi un article intitulé "Which costs more: prevention or recovery?":
''Al! development efforts should provide for disaster prevention. No to do so is economically irrational and politically unwise. Even the most efficient/y managed disaster recovery operation leaves a society vulnerable to natural hazards. Prevention not on/y minimizes damage but promotes a stable environment, incentives for investment and enterprise,
and the sense that people can control their own economie destiny. These are crucial for sustainable long-term development. "
Ainsi, la prévention appliquée à une région volcanique est une mesure nécessaire pour diminuer les pertes humaines ou économiques en cas de futures éruptions; elle représente également un facteur important contribuant à son développement à long terme.
Introduction 3
1.2. Volcanologie et évaluation des aléas
1.2.1. Définitions de l'aléa et du risque volcanique
La formidable progression de la volcanologie ces 30 dernières années a permis aux scientifiques d'élaborer des méthodologies leur donnant la possibilité de prévoir à plus ou moins long terme les dangers liés à l'activité volcanique. Ces méthodologies, bien que loin d'être infaillibles, ont fait leur preuve dans de récentes situations de crises. On ne citera que quelques exemples récents, au volcan Galunggung en Indonésie en 1982-1983, au volcan Pinatubo aux Philippines en 1991 et au volcan Rabaul en Papouasie Nouvelle-Guinée en 1983-
1985 et en 1994 (Punongbayan et Tilling, 1989; PVOT, 1991; BGVN, 1994).
Avant de décrire ces méthodologies, quelques définitions s'imposent car la distinction entre les notions d'aléas et de risques volcaniques est importante. Ces notions sont par ailleurs souvent confondues (Tilling, 1989a).
• L'aléa est la probabilité qu'une région donnée soit affectée par un phénomène volcanique potentiellement destructeur pour une période de temps donnée.
• Le risque est la possibilité d'une perte en vie humaine ou d'une perte économique à l'intérieur d'une région susceptible d'être affectée par un phénomène volcanique destructeur.
Ainsi l'évaluation de l'aléa ne tient compte que des phénomènes naturels et de leurs fréquences d'occurrence. Une coulée pyroclastique représente un aléa quelque soit le volcan sur lequel elle se produit. Quant à l'évaluation du risque, elle considère non seulement les phénomènes naturels mais également les aspects socio-économiques d'une région qu'ils sont susceptibles d'affecter. Une coulée pyroclastique représente un grand risque sur un volcan densément peuplé, alors qu'elle ne représente aucun risque sur un volcan dont les flancs et les alentours sont déserts.
L'étude de l'aléa incombe aux scientifiques, alors que l'évaluation et la gestion du risque fait appel à de nombreuses autres compétences professionnelles: sociologues, économistes, politiques, etc.. Le présent travail n'abordera que le problème des aléas et n'envisagera en aucune manière les problèmes liés à l'évaluation du risque volcanique.
1.2.2. Evaluations des aléas volcaniques et cartes de zonations
Une évaluation globale des aléas volcaniques d'une région donnée est la somme d'une évaluation à court terme, ou immédiate, et d'une évaluation à long terme, ou potentielle (Crandel et al., 1984; Scott, 1989).
L'évaluation à court terme des aléas volcaniques fait appel aux techniques de surveillances dont les plus courantes sont la sismologie, l'étude des déformations du sol et l'étude des gaz. Elles ont pour but de décrire l'état présent du volcan et de détecter les variations de paramètres géophysiques et géochimiques qui généralement précèdent et accompagnent les éruptions.
Elles fournissent une information essentielle pour faire une prévision, éventuellement une prédiction, du comportement futur du volcan dans un laps de temps relativement court (quelques mois à quelques heures; Banks et al., 1989; Chester, 1993).
L'évaluation à long terme des aléas volcaniques repose sur un principe de base qui est: "le passé est la clé du futur". Ce principe fondamental implique que (d'après Westercamp, 1983;
Crandell et al., 1984; Scott, 1989):
• les phénomènes volcaniques futurs seront les mêmes que les phénomènes éruptifs passés;
• l'intensité du phénomène et l'extension de la zone affectée ne devraient pas excéder les effets du plus important phénomène passé de même type;
• la probabilité d'occurrence du phénomène dépendra de sa fréquence passée ou de l'évolution particulière du volcan (cyclique ou linéaire).
L'application du principe de base précédemment énoncé conduit à évaluer les aléas d'un volcan donné essentiellement d'après son activité éruptive passée, historique et préhistorique.
L'étude des éruptions historiques se fait principalement à partir de témoignages écrits. Elle consiste en la collecte de documents et en leur lecture critique puisqu'il arrive souvent, surtout pour les documents les plus anciens, que les descriptions des éruptions soient imprécises ou fantaisistes. Des études géologiques de terrain peuvent compléter ou préciser les données recueillies à partir des écrits lorsque ceux-ci sont difficilement interprétables.
Cependant, la géologie de terrain s'applique surtout à l'étude des éruptions préhistoriques, puisque leurs dépôts constituent les seuls témoins encore susceptibles de délivrer des informations sur le comportement passé du volcan. Le but de ces études est de reconstituer l'histoire éruptive du volcan: mieux on la connaît (en analysant chaque éruption passée avec détails et/ou en remontant le plus loin possible dans le temps), et plus on augmente la probabilité d'avoir reconnu tous les types d'éruptions, avec leur magnitudes et leurs fréquences maximales. Cela permet également de mettre en évidence des comportements épisodiques ou cycliques du volcan et éventuellement de distinguer une évolution particulière. Toutes ces informations sont indispensables pour estimer les probabilités et le caractère d'une future éruption.
La reconstitution de l'histoire éruptive d'un volcan fait appel à de nombreuses méthodologies utilisées en Sciences de la Terre.
+ La stratigraphie consiste à lever des coupes d'une succession de dépôts et à les corréler entre eux, de manière à établir une séquence chronologique relative des éruptions passées.
• Les datations radiochronométriques (04, K-Ar, etc.) permettent de dater d'une manière absolue les dépôts et de trouver ainsi la fréquence d'occurrence d'un phénomène éruptif particulier.
• La sédimentologie permet d'établir le type de mise en place des dépôts pyroclastiques et de préciser ainsi le phénomène éruptif qui en est à l'origine.
• La cartographie établit la situation et l'extension maximale des dépôts des éruptions passées, définissant ainsi les zones qu'elles ont affectées. On peut également se faire une idée de la magnitude des phénomènes éruptifs et de leur origine (centre éruptif).
• La pétrographie et la géochimie caractérisent les magmas ayant fait éruption.
Ces deux méthodes permettent aussi dans certains cas de préciser l'origine des dépôts.
• La modélisation permet de préciser le déroulement d'une éruption et de définir sa magnitude.
La combinaison des données stratigraphiques et des résultats des datations absolues, avec les données pétrographiques et géochimiques ou avec les données sédimentologiques, permettent de distinguer des évolutions ou des cycles magmatiques ainsi que des changements progressifs
Introduction 5 ou répétitifs du comportement éruptif du volcan. Ainsi, on constate que l'étude géologique d'un volcan est absolument indispensable et est à la base de toute évaluation sérieuse de l'aléa et du risque volcanique. Elle est a fortiori à la base d'une gestion efficace du risque (figure 1 ).
Figure 1- La base de l'évaluation à long terme des aléas et des risques volcaniques réside dans des études géologiques appropriées permettant de reconstituer l'histoire éruptive du volcan (Tilling, 1989; tiré de Kesseler, 1995)
Une fois l'histoire éruptive d'un volcan déterminée avec suffisamment de précision, on peut délimiter les zones susceptibles d'être affectées par les éruptions futures. On aboutit ainsi aux cartes de zonation des aléas volcaniques qui sont l'outil de base à tous les professionnels responsables de gérer des régions soumises à une menace volcanique. Ces cartes ont deux buts principaux (Crandell et al., 1984): (1) déterminer les régions devant être évacuées et évitées en cas d'éruption et (2) permettre une meilleure planification à long terme de la gestion du territoire.
1.2.3. Limites des méthodes d'évaluation des aléas à long terme
Il est évident que les méthodologies classiques de la géologie énumérées précédemment ne sont pas infaillibles dans l'évaluation des aléas volcaniques et qu'elles présentent des limites qu'il est important de préciser. Ces limites sont pour la plupart intrinsèquement liées au principe de base qui régit la philosophie de la démarche permettant d'aboutir à l'évaluation des aléas.
Les conditions d'affieurements d'une région ont une influence directe sur la qualité de la reconstitution de l'histoire éruptive. En effet, si l'on dispose de peu d'affieurements ou d'affieurements mal répartis autour du volcan, il manquera un certain nombre d'informations
