Source mechanisms and dynamics of volcanic pyroclastic emissions : a perspective from Doppler radar (VOLDORAD) and other geophysical data

Cette étude traite de la dynamique des éruptions volcaniques explosives, depuis les mécanismes de sub-surface jusqu’aux processus d’émission et de dispersion des pyroclastes. A cet effet un radar Doppler sol est utilisé (VOLDORAD), lequel renseigne sur la charge / vitesse des ejectas. Les données sont intégrées avec d’autres techniques géophysiques, et des modèles numériques sont développés afin de simuler les émissions pyroclastiques, générer des signaux radar synthétiques, pour finalement améliorer notre compréhension des processus qui leurs sont sous-jacents. L’Arenal (Costa Rica) est utilisé comme volcan cible, où de fréquentes éruptions de faible magnitude émettent des panaches de cendres et des projections balistiques jusqu’à quelques centaines de mètres au-dessus de l’évent. Dans un premier temps, nous combinons des données sismiques et radar afin d’explorer la relation entre les processus de conduit et les émissions pyroclastiques. Leurs interactions complexes sont interprétées via un modèle conceptuel, lequel décrit les fractures parsemant le bouchon de lave comme responsables du dégazage du système, et en retour des signaux sismiques et radar collectés (ces derniers dépendants de la charge en cendres des émissions de gaz). Par ailleurs, nous investiguons la dynamique des émissions pyroclastiques à travers l’étude de radargrammes Doppler. La distribution spatio-temporelle de la vitesse des ejectas indique l’existence de deux phénomènes aux dynamiques distinctes. Des modélisations numériques permettant la reconstruction de signaux synthétiques indiquent qu’il s’agit de l’émission simultanée de blocs balistiques et de panaches de cendres. Une procédure d’inversion de type Monte Carlo couplée d’un algorithme d’optimisation permet de retrouver les radargrammes synthétiques qui reproduisent au mieux ceux observés. Les résultats apportent des contraintes sur divers paramètres éruptifs, tels que les tailles, trajectoires, vitesses des ejectas et des gaz, ainsi que la vitesse / direction de dispersion des panaches de cendres par le vent. Enfin, nous discutons du potentiel des radars Doppler appliqués à la surveillance opérationnelle des émissions volcaniques. En particulier, la possibilité de quantifier les masses éjectées dans l’atmosphère ou retombant sur les flancs du volcan, fournit des paramètres éruptifs à la source pouvant alimenter les modèles de dispersion de panaches de cendres.This study investigates the dynamics of explosive volcanic eruptions, from the sub-surface source mechanisms through to the emission dynamics and downwind dispersal of tephra. To this end, we use a ground-based Doppler radar (VOLDORAD) which informs on the loading / velocimetry of the expelled ejecta. Data are integrated with complementary geophysical techniques, and numerical models are developed to simulate pyroclastic emissions, generate synthetic radar data, and in turn enhance our understanding of the underlying dynamical processes. Arenal (Costa Rica) is used as a case study volcano, where frequent mildly-explosive eruptions commonly expel ash plumes and ballistic projections up to a few hundred meters above the vent. Firstly, we combine seismic and radar data to investigate the link between conduit processes and pyroclastic emissions. A conceptual model is proposed to account for their complex interplay, whereby fractures through a rigid lava cap control the system’s degassing, which in turn governs both the seismic and radar signals (the latter depending on the ash load carried by the gas). Secondly, we investigate the dynamics of pyroclastic emissions from the analysis of Doppler radargrams. Time-velocity distribution of the expelled tephra shows the signature of two distinct phenomena. Numerical modeling and computation of synthetic radargrams show that these are consistent with both ballistic projections and ash plume crossing the beam simultaneously, whose respective mass load can be derived. Inverse modeling using a nearneighborhood Monte Carlo procedure was used to find synthetic Doppler radargrams which best matched the observed ones. The results give constrains on eruptive parameters, such as the size, trajectory, exit velocities and source gas velocities of the ballistics, as well as the speed / direction of the ash cloud drifted by trade winds. Lastly, because Doppler radars are powerful tool for real-time allweather monitoring of volcanic activity, we address issues relative to the operational radar monitoring of ash plumes. In particular, the ability to remotely quantify the mass proportions of ejecta either falling on the slopes of the volcano or prone to be ejected into the atmosphere, gives source eruptive parameters which may feed volcanic ash dispersal models