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Des torrents de pierres sur les volcans actifs : les lahars

Des blocs de plusieurs tonnes qui flottent à la surface d'un torrent… tel est le spectacle que l'on peut voir dans certains cours d'eau pendant ou à la suite d'éruptions volcaniques. Ces torrents de pierres ou de boue appelés lahars ont déjà causé la mort de près de 72 000 personnes dans le monde depuis le XVIIe siècle… L'association essonnienne Planet Risk explore pour vous ce phénomène.

Front de laharFront de lahar en janvier 2001 sur les flancs du volcan Semeru à Java (Indonésie).
© Franck Lavigne

Un lahar est un mélange de débris et d'eau s'écoulant à vitesse rapide sur un volcan et son piémont. A la différence d'un cours d'eau classique, il transporte une grosse quantité de sédiments. Si celle-ci excède 20% du volume total de l'écoulement, ce dernier est qualifié d'hyperconcentré ; si cette proportion dépasse les 60%, on parle alors de coulée de débris. Les lahars peuvent aussi prendre la forme de coulées de boue si leur proportion d'argile est forte.

Les mécanismes d'écoulement des lahars sont originaux : les coulées de débris s'écoulent par pulsation, leur vitesse, leur débit et leur capacité de transport étant très supérieurs à ceux des écoulements fluviatiles. Des blocs de plusieurs tonnes peuvent ainsi flotter à la surface du lahar. L'élément le plus original de ce type d'écoulement est la présence d'un front pierreux, très pauvre en eau, qui se déplace en raclant le fond du chenal tel un bulldozer.

On comprend aisément que les lahars dévastent tout sur leur passage dès qu'ils débordent et se répandent dans des villages, voire des villes. On se souvient de ces images télévisées de 1985 montrant la ville d'Armeiro dévastée par un lahar du Nevado del Ruiz en Colombie qui fit 23000 victimes. Cette catastrophe éleva le nombre de victimes des lahars au XXe siècle à 31 500 victimes, soit 40% des victimes d'éruptions volcaniques. En termes de dégâts matériels, les lahars du Pinatubo (Philippines) ont battu tous les records avec plus de 1000 km² recouverts par leurs dépôts et des pertes estimées à 500 000 dollars US.

Les lahars les plus dangereux sont ceux qui se produisent pendant une éruption et mettent en mouvement les cendres récemment déposées. Leurs origines sont diverses : fonte de la neige ou de la glace, irruption d'une nuée ardente dans un cours d'eau, vidange d'un lac de cratère ou fortes précipitations pendant une éruption, etc. Les lahars post-éruptifs résultent quant à eux du remaniement des matériaux éruptifs par les pluies qui ont dépassé un certain seuil d'intensité. Enfin, de rares lahars sont déclenchés en l'absence de toute activité éruptive récente, par exemple à la faveur d'une brèche dans un cratère occupé par un lac ou d'une rupture de barrage naturel. Ils prennent alors l'apparence des grosses crues très chargées en matériaux.

Les lahars constituent l'un des agents d'érosion les plus puissants au monde à la suite d'une éruption majeure (taux d'érosion de plus de 1 million de m3/km2/an en 1991 au Pinatubo, 10 fois plus qu'au Mont St.-Helens en 1980). Les taux d'érosion sont également très élevés sur les volcans à activité explosive quasi-continue et écroulements de dôme très fréquents comme au Merapi ou au Semeru en Indonésie. Le fort pouvoir érosif des lahars est lié à la forte concentration sédimentaire de leurs pulsations, à la densité du fluide, à la profondeur de l'écoulement et aux contraintes de cisaillement, qui sont en moyenne six fois plus élevées que dans un écoulement fluviatile.

01.Qu'est-ce qu'un lahar ?

Un lahar est un mélange de débris et d'eau s'écoulant à vitesse rapide sur un volcan et son piémont. Le terme regroupe deux types d'écoulements :
(1) les coulées de débris (concentration sédimentaire égale ou inférieure à 60 % en volume), dont les dépôts sont massifs, hétérométriques (de taille variable) et très mal triés, les blocs étant emballés dans une matrice sablo-graveleuse ;
(2) les écoulements hyperconcentrés (concentration sédimentaire de 20 à 60 % en volume), plus turbulents et dont les dépôts sont moins hétérométriques et mieux triés.

Vue aérienne de laharsDépôt de lahars le 13 Novembre 1985 à Armero, au pied du Nevado del Ruiz, Colombie.
© Jean-Claude Thouret

02.Quels sont leurs modes de déclenchement ?

Les lahars peuvent être syn-éruptifs, post-éruptifs ou non-éruptifs.
Les lahars syn-éruptifs, qui se produisent pendant une éruption et mettent en mouvement les cendres récemment déposées, ont des origines diverses : fonte de la neige ou de la glace, irruption d'une avalanche de débris, d'une coulée pyroclastique Flanc du volcan SemeruFront de lahar en janvier 2001 sur les flancs du volcan Semeru à Java (Indonésie).
© Franck Lavigne
ou d'une déferlante humide dans un cours d'eau, vidange d'un lac de cratère ou fortes précipitations pendant une éruption.

Les lahars post-éruptifs résultent du remaniement des matériaux éruptifs par les pluies qui ont dépassé un certain seuil d'intensité. Ce seuil, qui dépend de nombreux paramètres (volume et texture des matériaux mobilisables, altitude, exposition, origine des pluies, etc.), est très variable d'un volcan à l'autre et sur les flancs d'un même volcan.
Les lahars non-éruptifs, plus rares, sont déclenchés en l'absence de toute activité éruptive récente, par exemple à la faveur d'une brèche dans un cratère occupé par un lac ou d'une avalanche de débris d'origine gravitaire.

03.Pourquoi ces écoulements sont-ils si dangereux ?

Les lahars sont des écoulements issus du mélange de sédiments et d'eau qui leur confère des caractéristiques hydrodynamiques spécifiques, on les qualifie de biphasiques.
L'élément le plus original de ce type d'écoulement est la présence d'un front pierreux, très pauvre en eau, qui se déplace en raclant le fond du chenal. La vitesse moyenne de ce front sur les pentes et le piémont du volcan est généralement de l'ordre de quelques mètres par seconde. Sa hauteur varie de quelques centimètres à plusieurs mètres.

A la suite du passage du front, les lahars s'écoulent par pulsations ou vagues successives, généralement de l'ordre de 2 à 3 par lahar au Pinatubo, mais une dizaine au Nevado del Ruiz le 13 novembre 1985. Ces pulsations peuvent avoir des origines climatiques (variations d'intensité de la pluie), éruptives (par exemple, nouvelle pulsation à chaque explosion phréato-magmatique dans le Crater Lake au Ruapehu en 1995), rhéologiques (instabilité inhérente aux écoulements visqueux), géomorphologiques (interruption temporaire d'un écoulement par un barrage ou une rupture de pente), ou encore composites, lors d'arrivées d'eau différées en provenance de différents cours d'eaux. Aux pulsations longitudinales, très irrégulières dans le temps, viennent s'ajouter des mouvements ondulatoires transversaux plus réguliers à l'intérieur du chenal.

Pulsation d'un laharPulsation d'un lahar dans la rivière Pasig-Potrero sur le flanc est du volcan Pinatubo (Philippines) en juillet 1994. L’intervalle entre les deux clichés est de 5 minutes.
© Franck Lavigne

A surface égale de bassin-versant, les lahars ont des vitesses et des débits plus élevés que les écoulements fluviatiles, mais aussi plus variables en fonction de nombreux facteurs : le volume et la taille des sédiments transportés, la pente et les forces de frottement dans le chenal. Le débit moyen est le plus souvent de l'ordre de quelques centaines ou milliers de m3/s. Toutefois, le débit maximum enregistré à l'aval immédiat de l'avalanche de débris du Mont St.-Helens équivalait à celui de l'Amazone (250 000 m3/s). A 40 km en aval du volcan Cotopaxi (Equateur), la pointe de débit d'un lahar a même atteint localement 6 millions de m3/s ! Des débits si exceptionnels s'expliquent par l'énorme volume de matériaux fourni par l'avalanche de débris et la vitesse exceptionnelle de l'expulsion de l'eau.
Les lahars sont capables de transporter des blocs de plusieurs dizaines ou centaines de tonnes jusqu'à des dizaines de kilomètres de leur source, en raison de trois facteurs :
- la flottabilité des matériaux transportés, liée à la faible différence de densité entre les particules solides et le fluide liquide ;
- des forces de dispersion intergranulaires expliquent l'élévation des blocs vers le haut de l'écoulement en raison des collisions entre les particules en suspension ;
- la cohésion des particules argileuses ne concerne que les coulées boueuses.

04.Les lahars, sculpteurs des volcans actifs

Les lahars comptent parmi les premiers agents d'érosion des volcans sous climat humide, en particulier quand ces volcans sont coiffés d'un glacier. L'érosion atteind des records à la suite d'une éruption majeure, ou bien sur les volcans à activité explosive quasi-continue et écroulements de dôme de lave très fréquents.
Le pouvoir érosif des lahars est lié à la forte concentration sédimentaire de leurs pulsations, à la densité du fluide, à la profondeur de l'écoulement et aux contraintes de cisaillement, qui sont en moyenne six fois plus élevées que dans un écoulement fluviatile. Les coulées de débris sont avant tout des agents d'érosion verticale, alors que les écoulements hyperconcentrés, plus turbulents, sont plus efficaces dans le recul des berges, comme cela a été remarqué au Mayon (Philippines) et au Merapi.

Comblement de la vallée BoyongComblement de la vallée Boyong sur les flancs du Merapi (Java, Indonésie) entre décembre 1994 (en haut) et février 1995 (en bas).
© Franck Lavigne

05.Comment prévoir ou enrayer les lahars ?

Malgré les progrès scientifiques récents, le nombre de victimes des lahars n'a pas diminué ces dernières décennies, comme en témoigne la catastrophe du Nevado del Ruiz en 1985 (23 000 morts). De nouvelles méthodes de cartographie de l'aléa ont été récemment proposées, fondées sur la récurrence des lahars de plus forte magnitude, sur différents scénarios de débit dans le cadre d'une cartographie des risques à grande échelle ou sur une modélisation associée à un Système d'information géographique. Franchissement d’un Sabo damFranchissement d’un Sabo dam par un lahar au Merapi (Java, Indonésie).
© Franck Lavigne
D'autres méthodes empiriques visent à estimer la durée d'écoulement des lahars. Ces nouvelles méthodes, associées aux progrès liés à la détection des lahars par des capteurs performants, devraient contribuer à une meilleure prévention des risques, au moins sur les volcans les mieux équipés.
Les systèmes de prévention sont de plus en plus doublés par des mesures lourdes de protection. Ainsi, de nombreuses vallées sont équipées de « sabo dams », barrages en béton destinés à piéger une partie des blocs charriés par les lahars, et à diminuer la vitesse de l'écoulement en créant des ruptures de pente dans les vallées. La durée de vie de ces barrages est cependant limitée à quelques décennies et le coût élevé de leur construction ne permet pas de les multiplier sur les volcans des pays en développement.

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