Modelling of the dynamics and cooling of lava flows (towards a framework for thermal remote-sensing as an eruption monitoring tool)

Pendant une éruption effusive, le principal risque est posé par l'avancée des coulées de lave depuis l'évent. Le débit éruptif contrôle en grande partie cette dynamique, et sa détermination en temps réel est un point-clé dans la gestion du risque volcanique. Un suivi de l'éruption peut être réalisé par satellite, avec des mesures régulières du signal thermique (radiance) émis en surface par le champ de lave. Cette thèse étudie l'évolution du signal thermique de surface pour des courants de gravité qui avancent et se refroidissent simultanément. Pour un fluide dont la viscosité ne dépend pas de la température et injecté à débit constant, des expériences de laboratoire et un modèle théorique montrent que la radiance augmente pendant un premier stade transitoire avant d'atteindre un palier. Pour des paramètres de coulées de lave, la théorie prédit que le signal radié stationnaire dépend principalement du débit éruptif, et la puissance prédite est en bon accord avec des données de terrain. Des expériences avec un matériel de type cire montrent que la solidification ralentit l'étalement du courant, qui se fait au travers de débordements ponctuels. Il n'y a alors pas d'état stationnaire dans le signal thermique de surface, mais le matériel fluide (le plus chaud) radie un flux de chaleur constant, dont la valeur augmente avec le débit imposé à la source. La thèse explore également l'effet de la topographie et de la variation temporelle du débit sur la dynamique et le signal thermique de l'écoulement. L'utilisation quantitative de la télédétection thermique nécessite une modélisation appropriée de la rhéologique effective et de la structure thermique interne des coulées de lave.During an effusive eruption, the main hazard is related to how fast and how far lava will spread from the volcanic vent before it stops. The effusion rate exerts an important control on the advance of lava flows, and its real-time estimate during an eruption is a key issue for hazard assessment. The eruption can be monitored by remote-sensing, with periodic satellite acquisitions of the thermal signal (radiance) emitted by the surface of the lava flow field. This thesis investigates the evolution of the surface thermal signal of gravity currents, simultaneously spreading and cooling. For a fluid with a temperature-independent viscosity, supplied at a constant rate, laboratory experiments and a simple theoretical model show that the surface thermal signal first increases during a transient stage before reaching a plateau value. For lava flow parameters, the theoretical model predicts that the steady radiant heat flux mostly dépends on the effusion rate; and the predited power concurs at first-order with data from natural lava flows. Experiments using a wax-like material show that solidification slows down the spreading of the current, which advances with episodic overflow events. There is no steady state for the bulk surface thermal signal, and only the fluid part of the flow (the hottest material) radiates a constant heat flux, whose value increases with increasing input rate. The quantitative use of thermal remote-sensing requires an appropriate modelling of the effective rheology and of the internal thermal structure of lava flows.PARIS7-Bibliothèque centrale (751132105) / SudocSudocFranceF