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Analyse couplée d'images vidéo et de données sismiques pour l’étude de la dynamique d’écoulement des lahars sur le volcan Merapi, Indonésie

Coupling between Video and Seismic Data Analysis for the Study of Lahar Dynamics at Merapi Volcano, Indonesia
Sandy Budi Wibowo, Franck Lavigne, Philippe Mourot, Jean-Philippe Métaxian, Marie Zeghdoudi, Clément Virmoux, Cosmas Bambang Sukatja, Danang Sri Hadmoko et Bachtiar Wahyu Mutaqin
p. 251-266

Résumés

La dynamique d’écoulement des lahars est encore mal connue, en particulier en raison de la difficulté d’acquisition de données sur le terrain. L'éruption du volcan Merapi (Indonésie) en octobre et novembre 2010 fut l’occasion, pour notre équipe, de produire de nouvelles données de terrain dans le cadre du programme SEDIMER (Sediment-related Disasters following the 2010 eruption of Merapi Volcano, Java, Indonesia, 2012-2015). La dynamique des lahars fut étudiée à partir du couplage entre des images vidéo et des données sismiques. Nous avons installé une station sismique composée de deux géophones placés à 76 m l'un de l'autre, une caméra haute définition sur le bord de la rivière Gendol à 1 090 m d'altitude, soit à 4,6 km au sud du sommet du volcan, et deux pluviomètres à la même altitude à l’est et à l’ouest de la rivière. Nous avons également utilisé une radio analogique pour recevoir le signal sismique des sismomètres du réseau de surveillance de l’observatoire du Merapi (BPPTKG) et pour communiquer avec les communautés locales. Cet article présente plus particulièrement le lahar de type « coulée de débris » du 28 février 2014. Les résultats des analyses vidéo et sismiques montrent que le comportement de cet écoulement a évolué continuellement pendant l'événement. Le front du lahar s’est déplacé à une vitesse moyenne de 4,1 m/s au niveau du site d’observation. Sa vitesse et son débit maximum ont atteint respectivement 14,5 m/s et 473 m3/s, pour une profondeur d’écoulement maximum de 7 m. Près de 600 blocs de plus de 1 m de grand axe ont été recensés à la surface du lahar pendant 36 minutes, soit un débit moyen de 17 blocs par minute. L’interprétation des caractéristiques sismiques de cet événement a pu être améliorée par les résultats d’analyse des enregistrements vidéo, spécialement pour différencier les phases de coulée de débris et celles d’écoulement hyperconcentré pendant l’écoulement du lahar.

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Notes de la rédaction

Article soumis le 28 mai 2015, reçu sous sa forme révisée le 28 août 2015, définitivement accepté le 31 août 2015

Texte intégral

Cette recherche constitue une partie de la thèse du premier auteur dans le cadre du programme de recherche SEDIMER financé par la fondation AXA. Le projet DOMERAPI (ANR) a fourni une aide important pour ce travail. Les auteurs remercient également Edouard de Bélizal pour avoir fourni la base de données d’occurrence des lahars. Les personnels de PSBA UGM ont apporté un soutien important pendant toute la campagne de terrain. Balai Sabo, BMKG et BPPTKG sont également remerciés pour avoir facilité notre suivi des lahars en temps réel.

1. Introduction

1Le terme lahar, d'origine indonésienne, désigne un mélange de débris et d'eau autre qu'un écoulement fluviatile, s'écoulant d'un volcan à vitesse rapide (Smith et Fritz, 1989 ; Neall, 2004 ; Vallance, 2005). Ce mot fut utilisé par la communauté scientifique pour décrire l’éruption du volcan Kelud à Java Est en 1919, qui avait provoqué la rupture du lac du cratère et engendré un lahar syn-éruptif ou primaire (Koning, 1919 ; Den Doop, 1919 ; Escher, 1920 ; Kemmerling, 1921). Le terme lahar regroupe deux types d'écoulements : (1) les coulées de débris (concentration sédimentaire > 60 % en volume) et (2) les écoulements hyperconcentrés (concentration sédimentaire de 20 à 60 % en volume) qui sont plus turbulents. Depuis les années 1980, l’étude des lahars a commencé par l’analyse de leurs dépôts (Janda et al., 1981 ; Pierson, 1980), et par l’observation visuelle sur le terrain (Pierson et Scott, 1985 ; Brantley et Waitt, 1988 ; Rodolfo et al., 1989 ; Pierson, 1995 ; Cronin et al., 1997). Grâce aux développements de l’instrumentation géophysique, les observations visuelles ont laissé place à des mesures précises. Des capteurs acoustiques (AFMs : Acoustic Flow Monitor) ont été déployés sur les flancs du volcan Pinatubo (Haldey et LaHusen, 1995 ; Marcial et al., 1996 ; Tuñgol et Regalado, 1996). Des signaux sismiques ont été également analysés sur le volcan Merapi et Colima à l’aide de RSAM (Real-time Seismic Amplitude Measurement), SSAM (Seismic Spectral Amplitude Measurement) ou de sismomètres larges bandes (Zobin et al., 2009 ; Lavigne et al., 2000). D’autres chercheurs ont enfin utilisé une combinaison de capteurs géophysiques (Doyle et al., 2010). Les avancées technologiques en matière d’enregistrement vidéo ont permis d’améliorer la compréhension de ce type de phénomène et le calcul de profondeur, de vitesse, de débit, ainsi que le comptage de blocs (Lavigne et al., 2003 ; Gomez et Lavigne, 2010 ; Starheim et al., 2013). En parallèle, certains auteurs se sont intéressés à la modélisation des lahars, d’une part par des approches expérimentales physiques (Major, 1997 ; Iverson et al., 2010), et d’autre part par une approche numérique, par exemple en utilisant les modèles LaharZ (Schilling, 1998), Titan 2D (Patra et al., 2003), VolcFlow (Kelfoun et Druitt, 2005), MassMov2D (Begueria et al., 2009) et DAN 3D (Hungr et McDougall, 2009). La dynamique d’écoulement des lahars reste cependant encore mal connue, ce qui explique que les expériences de modélisation analogique ou numérique ne soient guère concluantes. L’une des raisons de ce verrou scientifique est la difficulté d’acquisition de données in-situ pendant les écoulements. Par exemple, la présence de blocs et d’effondrements des berges ne sont jamais prise en compte dans les modèles d’écoulement. Notre étude permet de compléter certaines informations manquantes mais toujours importantes afin d’améliorer ces modèles.

2L'éruption du volcan Merapi (Java, Indonésie) en octobre 2010 fut l’occasion, pour notre équipe, de produire de nouvelles données de terrain dans le cadre du programme SEDIMER (Sediment-related Disasters following the 2010 eruption of Merapi Volcano, Java, Indonesia, 2012-2015). Ayant connu plus de 80 éruptions de 1672 à 2010, le Merapi est l’un des volcans les plus actifs au monde. Elles se répètent selon un intervalle compris entre 1 et 18 ans avec une moyenne de retour estimée à 4 ans (BAPPENAS et BNPB, 2011). La dernière éruption en octobre-novembre 2010 a déposé environ 45 millions m3 de tephras sur le bassin versant de la rivière Gendol au sud du cône actif (Solikhin et al., 2015) et a causé la mort de 367 personnes et la destruction de plus de 1 200 maisons (Lavigne et al., 2015). L’éruption ayant commencé au début de la saison des pluies, les eaux pluviales provoquèrent la remobilisation des matériaux pyroclastiques dans les 11 cours d’eau issus du volcan, engendrant des lahars. D’octobre 2010 à 2011, 282 lahars ont été déclenchés dans 17 rivières (De Bélizal et al., 2013) et environ 108 lahars pendant la période de 2012 à 2013 (Lavigne et al., 2015). Entre 2010 et 2013, la fréquence des lahars a diminué par suite de l’épuisement progressif des réserves de matériaux disponibles remobilisables. Cependant, l’éruption explosive du 13 février 2014 du volcan Kelud, situé à 210 km à l’est du Merapi, a entraîné un nouveau dépôt de cendres dont l’épaisseur variait entre 2 et 5 mm, fondé sur notre observation de terrain sur le flanc sud et sud-ouest. L’occurrence des lahars au Merapi a ainsi augmenté par rapport à la saison des pluies précédente (19 lahars pendant les 30 jours suivant l’éruption). Le lahar du 28 février 2014, présenté ici, constitue le premier événement majeur survenu sur les flancs du volcan Merapi suite à l'éruption du volcan Kelud. Ce travail a pour objectif d’étudier la dynamique de ce lahar durant toute la durée de l’écoulement, avec une attention particulière portée sur les variations hydrologiques et sur le transport de sédiments. Étant donné que les systèmes de détection de lahars sont souvent fondés sur des capteurs géophysiques, le couplage vidéo- sismique dans ce travail sert à calibrer la mesure de paramètres géophysiques sur le chenal naturel. Cette étude sert également à aider les modélisateurs de lahars à améliorer leurs codes en donnant les informations sur ces variations hydrologiques rarement prises en compte jusqu’à aujourd’hui.

2. Site d’étude et méthodologie

2.1. Site d’étude

3Nous avons mis en place une méthodologie originale, fondée sur le couplage d'images vidéo, d’enregistrements sismiques et pluviométriques, obtenus sur la rivière Gendol (sig. 1). Nous avons sélectionné une section du chenal située à 1 100 m d’altitude, localisée dans les dépôts de coulées pyroclastiques de 2010. La largeur du chenal atteignait 26 m à la date d’occurrence du lahar (28 février 2014), pour une pente d’environ 14 % (ou 8°).

2.2. Acquisition des données

2.2.1. Données pluviométriques

4Afin d’enregistrer l’intensité réelle de la pluie, nous avons installé deux pluviomètres sur le flanc sud-ouest et sud-est du Merapi à environ 1 100 m d’altitude (fig. 1). Une série d’images satellites de MTSAT a permis de connaître le développement des cumulonimbus autour du volcan à petite échelle spatiale mais à grande échelle temporelle (1 heure, temps réel). De plus, nous avons pu consulter la pluviométrie à partir des caméras automatiques situées autour du volcan grâce au compte Twitter du BPPTKG (observatoire du volcan Merapi).

Fig. 1 – Carte du site d’étude.
Fig. 1 – Map of study site.

Fig. 1 – Carte du site d’étude. Fig. 1 – Map of study site.

1 : sommet du Merapi ; 2 : cours d’eau ; 3 : coulée pyroclastique 2010 ; 4 : déferlante pyroclastique 2010 ; 5 : pluviomètre ; 6 : site d’étude.
1: Merapi summit; 2: Rivers; 3: Pyroclastic flow 2010; 4: Pyroclastic surge 2010; 5: Raingauge; 6: Observation site.

2.2.2. Données hydrologiques

5Une station d’observation a été équipée d’un appareil photo fixe pointé sur la rive gauche du chenal et d’une caméra vidéo manuelle sur la rive droite. Nous avons analysé les caractéristiques hydrologiques du lahar à partir du traitement d’images vidéo en utilisant un protocole de mesure spécifique : le lahar a été divisé en trois axes (un axe central entouré de deux axes le long de chaque berge), afin d'analyser la distribution latérale de la profondeur, la largeur, la vitesse surfacique, le débit et le nombre des blocs.

2.2.3. Données sismiques

6Nous avons installé une station sismique de marque MYOTIS au bord du cours d’eau à 4,6 km au sud du sommet (1 090 m d’altitude). Cette station se composait d’une alimentation par batterie 12V et d'un panneau solaire 50 Watts, d’un enregistreur MYOTIS 16 bits avec une dynamique de 85 dB, un gain de 100 et une fréquence d’échantillonnage de 500 Hz et de deux géophones (fréquence propre 4,5 Hz ; sensibilité 32 mV/mm/s) distants de 76 m l'un de l'autre et parallèle au cours d’eau. Nous avons également reçu les signaux sismiques depuis la station MEA04 installée autour du sommet du volcan par le projet DOMERAPI. Ces signaux sismiques, enregistrés par le sismomètre Guralp CMG-6TD, servent à calculer la vitesse moyenne du lahar depuis le sommet jusqu’à notre site d’observation (tab. 1). Nous avons aussi utilisé des talkies walkies UHF réglés sur la fréquence appartenant au Bureau de Surveillance du Volcan Merapi (BPPTKG) pour écouter les signaux sismiques larges bandes en temps réel et pour communiquer avec les observateurs locaux.

Tab. 1 – Synthèse des résultats.
Tab. 1 – General result.

Caractéristique / Characteristics

Résultat d'analyse / Result

Type de Lahar / Lahar type

Coulée de débris

Date / Date

le 28 février 2014

Déclenchement au sommet / Triggering time on summit area

14:10:56

Arrivée de l'écoulement hyperconcentré initial / Arrival of initial hyperconcentrated flow

14:28:53

Arrivée du front / Front arrival

14:41:09

Arrivée de la pulsation 1 / Arrival of the first lahar pulse

14:41:35

Arrivée de la pulsation 2 / Arrival of the second lahar pulse

14:42:16

Durée / Duration

1h44

Durée d'analyse / Duration of analyze

1 heure

Pluie sud-est / Southeastern rainfall

24 mm (13 h 20 – 14 h 47)

Pluie Ouest / Southwestern rainfall

10,6 mm (15 h 09 -16 h 17)

Vitesse moyenne du lahar / Average velocity of lahar

4,12 m/s

Vitesse du front / Front velocity

8,5 m/s

Vitesse surfacique maximum / Maximum surface velocity

14,5 m/s

Débit maximum / Maximum discharge

473 m3/s

Volume total d'écoulement / Total volume of lahar

> 116 524 m3

Nombre d'effondrements / Number of bank collapses

192

Nombre minimum de blocs visibles / Number of visible boulders

595

Le lahar de type « coulée de débris » est déclenché à 14 h 10 et arrive au site d’observation à 14 h 28. Au moins 595 blocs visibles de plus de 1 m sont transportés pendant le lahar. Le volume total du lahar atteint plus de 116 524 m3.
Debris-flow-type lahar is triggered at 14:10 and arrive at observation reach at 14:28. At least 595 visible boulders (diameter > 1 m) are transported during the event. Total volume of lahar is estimated more than 116,524 m3.

2.3. Traitement des données

7Les vidéos ont été enregistrées à une fréquence de 25 images par seconde. La taille du caméraman et premier auteur de cet article (1,76 m) a été utilisée en tant qu’échelle. Nous avons défini une distance sur le terrain pour aider à calculer la vitesse surfacique par l’analyse image par image. Pour chaque axe, la base de données contient, à une fréquence de 15 secondes, des données de profondeur, largeur et vitesse du front et de la surface du fluide, qui nous ont permis de calculer les variations de débit. La vitesse de surface a été calculée en comptant le nombre d'images nécessaires lié à un marqueur flottant (petits blocs ou débris) pour traverser la zone de l'analyse vidéo sur une distance réelle de 7,8 mètres sur le terrain. La vitesse de surface a été obtenue selon la formule suivante :
Vs = 7,8 / (N / 25) (1)
où Vs = vitesse instantanée de surface (m/s), 7,8 = distance connue sur le terrain , N = nombre d’images.

8En revanche, il est impossible de calculer la vitesse moyenne du lahar (qui tient compte des forces de frottements internes) et qui a donc été estimé à 4/5 de la vitesse surfacique (Lavigne et al., 2003). Le débit a été ainsi calculé à partir de l’équation suivante :
Q = L x P x 4/5 (Vs) (2)
où Q = débit moyen (m3/s), L = largeur (m), P = profondeur (m), Vs = vitesse surfacique (m/s).

9Nous avons quantifié manuellement le nombre de blocs visibles (diamètre > 1 m). Nous avons également mesuré la dimension (largeur x longueur x hauteur) du plus grand bloc visible afin de calculer son volume et ainsi la compétence du lahar. En multipliant ce volume par la densité de la roche andésite (2,5-2,8 tonnes/m3), nous avons estimé le poids maximum des blocs transportés.

10Concernant les données sismiques, afin d’isoler les signaux qui nous intéressaient, nous avons d’abord appliqué un filtre passe-bande 5-240 Hz. Les données ont été corrigées en fonction de la sensibilité des capteurs pour obtenir directement la vitesse des ondes en m/s. Nous nous sommes ensuite intéressés au contenu fréquentiel des signaux par l’analyse temps fréquence (Time Frequency Analysis/TFA) en utilisant 50 échantillons par seconde afin de construire un spectrogramme.

3. Résultats

3.1. Pluies déclenchantes

11L’image MTSAT montre qu’une perturbation pluvieuse se formait rapidement autour du cône volcanique à partir de 13 h. Malgré le développement similaire de nuages entre les flancs est et ouest, la durée des précipitations a varié dans chacune des cellules. Le matin, il ne pleuvait qu’à l’ouest. Ensuite une pluie forte s’est produite à l’est entre 13 h 20 et 14 h 47 avec une intensité de 16 mm/h. Cette perturbation s’est ensuite déplacée vers l’ouest où il a été enregistré une intensité de pluie de 9,3 mm/h entre 15 h 09 et 16 h 17 (fig. 2). Le lahar du 28 février 2014 a été déclenché à 14 h 11 et est arrivé sur le point d’observation à 14 h 28 suite à un front pluvieux (24 mm en 1 h 27) provenant du flanc est du volcan (tab. 1). D’après le graphique des pluies cumulées (fig. 2B), un premier écoulement hyperconcentré, peu chargé en blocs, atteint la station à 14 h 28, soit 67 minutes après le début de la pluie. Le front du lahar arrive 13 minutes plus tard. Cette pluie est enregistrée sur notre pluviomètre situé à 1 100 m d’altitude. Les conditions difficiles du terrain ne permettant pas d’installer un pluviomètre entre 1 500 et 2 500 m d’altitude, nous ne possédons pas d’informations exactes sur l’intensité de la pluie dans la zone de départ du lahar. Cependant cette valeur de précipitation ne doit pas être considérée comme un seuil de déclenchement du lahar. En effet, sur la base des observations réalisées en 1995 à partir des données du radar météorologique du Sabo Technical Center (Lavigne, 1998), la zone de départ des lahars de la rivière Gendol se situe à plusieurs kilomètres en amont du pluviomètre, à une altitude vraisemblablement comprise entre 1 500 et 2 500 m.

Fig. 2 – Images MTSAT du 28 février 2014 de 13 h à 18 h.
Fig. 2 – MTSAT imagery on the 28th of February 2014 from 13:00 to 18:00.

Fig. 2 – Images MTSAT du 28 février 2014 de 13 h à 18 h. Fig. 2 – MTSAT imagery on the 28th of February 2014 from 13:00 to 18:00.

A : distribution spatio-temporel de la pluie ; B : précipitations enregistrées sur les flancs sud-est et sud-ouest du volcan Merapi.
A: Spatio-temporal rainfall distribution; B: Recorded accumulated rainfall on southeastern and southwestern slope of Merapi volcano.

3.2. Paramètres hydrologiques du lahar

12L’événement analysé a été enregistré sur nos équipements entre 14 h 25 et 16 h 12, soit une durée de 1 heure et 47 minutes. Le volume total du lahar calculé à partir de son hydrogramme (14 h 25-15 h 10) atteint plus de 116 500 m3. Avant l’arrivée du lahar, nous avons remarqué un écoulement fluviatile (14 h 25-14 h 28) issu de ruissellements très localisés qui apparaissent dans les ravines sur les berges du chenal.

13Les variations hydrologiques du lahar permettent de distinguer assez nettement 4 grandes phases (Fig. 3A, B et C) :

Fig 3 – Lahar du 28 février 2014.
Fig. 3 – Lahar on 28th of February 2014.

Fig 3 – Lahar du 28 février 2014. Fig. 3 – Lahar on 28th of February 2014.

A : profondeur ; B : vitesse surfacique ; C : débit ; D : nombre de blocs ; E : signature sismique ; F : analyse temps fréquence. Suite à un problème technique, le signal sismique est interrompu à 14 h 46.
A: Flow depth; B: Velocity at surface; C: Discharge; D: Number of boulders; E: Seismic waveform; F: Time frequency analysis. Due to technical problem, seismic station stops recording at 14:46.

14- Phase 1 - Ecoulement hyperconcentré (14 h 28 – 14 h 41).

15À 14 h 28, un premier front franchit notre site instrumenté (tab. 2). Durant cette phase, qui dure une douzaine de minutes, la profondeur, la vitesse et le débit de l’écoulement augmentent progressivement, atteignant respectivement 1,60 m, près de 5 m/s et 40 m3/s. La vidéo montre une charge en suspension importante (pas de donnée disponible, tout prélèvement manuel s’avérant extrêmement dangereux) mais où l’eau apparaît encore dominante dans l’écoulement. Il s’agit sans ambiguïté d’un écoulement hyperconcentré.

Tab. 2 – Quatre grandes phases du lahar.
Tab. 2 – Four major phases of the lahar.

No.

Phase

Temps

Valeur maximum

Profondeur (m)

Vitesse surfacique (m/s)

Débit (m3/s)

1

Ecoulement hyperconcentré

14 h 28 – 14 h 41

1,6

5

40

2

Pic de coulée de débris

14 h 41 – 14 h 44

7

16

473

3

Corps du lahar

14 h 44 – 15 h 00

4

12

80

4

Queue du lahar

15 h 00 – 16 h 12

1

4

10

1 : écoulement hyperconcentré initial ; 2 : pic de coulée de débris ; 3 ; corps du lahar – coulée de débris ; 4 : queue du lahar – écoulement hyperconcentré.
1: initial hyperconcentrated flow; 2: lahar peak - debris flow; 3: lahar body - debris flow; 4: Lahar tail - hyperconcentrated flow.

16- Phase 2 - Pic de coulée de débris (14 h 41 – 14 h 44).

17Un second front, de 4,2 m de haut et pierreux cette fois-ci, enregistré par la caméra à 14 h 41, marque le début de la phase de coulée de débris. La profondeur maximale atteint près de 7 m (fig. 3A), pour une vitesse surfacique dépassant 16 m/s (fig. 3B). Le débit maximum de cette phase atteint 473 m3/s (fig. 3C).

18- Phase 3 - Corps du lahar (14 h 44 – 15 h 00).

19À la suite du pic, la profondeur, la vitesse et le débit du lahar diminuent lentement, mais la décroissance n’est pas régulière. La profondeur maximum passe de 4 mètres à moins de 1 mètre (fig. 3A). La vitesse du lahar diminue par paliers après le pic, passant de 12 à 4 m/s (fig. 3B). Son débit diminue également par paliers mais la baisse est bien plus marquée, passant de 80 à moins de 10 m3/s à l’extrême fin de l’écoulement (fig. 3C).

20- Phase 4 - Queue du lahar (15 h 00 – 16 h 12).

21L’écoulement se concentre dans le thalweg (axe central) qui est érodé jusqu’à 3 m de profondeur. La profondeur maximale est de 1 m et continue à diminuer jusqu’à la fin du lahar. La vitesse baisse de 4 m/s et le débit réduit de 10 m 3/s.

3.3. Transport de blocs visibles

22Les blocs apparaissent lors de la phase 1 (fig. 3D). Cependant, assez peu de blocs de taille métriques sont visibles pendant l’écoulement hyperconcentré (en moyenne 2,2 blocs par minute). Le front de l’écoulement n’est pas pierreux, à la différence de celui de la coulée de débris. Pendant le pic de coulée de débris (phase 2), 279 blocs de plus de 1 m sont observés, soit un taux de 93 blocs par minute pendant 3 minutes. On distingue sur la figure 3D deux convois de blocs bien distincts, séparés d’une minute l’un de l’autre. Pendant le corps du lahar (phase 3), environ huit convois de blocs sont visibles à la surface de l’écoulement entre 14 h 44 et 14 h 56 (fig. 3D). La moitié de ces convois concentre un maximum d’une dizaine de blocs par minute, tandis que l’on relève un convoi plus important à 14 h 53, qui transporte entre 10 et 16 blocs métriques par minute, alors que le débit n’est que d’une cinquantaine de mètres-cubes par seconde. À partir de 14 h 56, les blocs deviennent très rares, puis inexistants après 15 h 05. Le volume maximum de blocs transportés observés est de 7,6 m3 (4,85 m x 1,17 m x 1,33 m). La plupart de ces blocs était de type andésitique, qui est le faciès dominant du volcan Merapi. Sa densité variant de 2,5 au 2,8 tonnes/m3, le poids maximum des blocs transportés par ce lahar fut d’une vingtaine de tonnes.

3.4. Signaux sismiques

23Les sismogrammes enregistrés par la station (fig. 3E et fig. 4B et D) enregistrent les vibrations générées par le passage du lahar.

Fig. 4 – Fréquence sismique de l’écoulement hyperconcentré et de la coulée de débris.
Fig. 4 – Seismic frequency of hyperconcentrated flow and debris flow.

Fig. 4 – Fréquence sismique de l’écoulement hyperconcentré et de la coulée de débris. Fig. 4 – Seismic frequency of hyperconcentrated flow and debris flow.

A : débit total ; B et C : sismogramme et spectrogramme de géophone amont ; D et E : sismogramme et spectrogramme de géophone aval. La forme d’onde et la fréquence sismique sont diffèrent pour la phase de coulée de débris.
A: Total discharge; B and C: Seismogram and spectrogram of upstream geophone; D and E: Seismogram and spectrogram of downstream geophone. Seismic waveform and frequency are surprisingly different for debris flow phase.

24Ces données sont représentatives de l’énergie fournie par le lahar. Pourtant distants de seulement 76 m, les deux géophones ont une signature curieusement différente. Celui en amont (fig. 4B) montre deux phases assez bien marquées : la première, entre 14 h 30 et 14 h 38, correspond à de grandes variations d’amplitude du signal, avec des pics supérieurs à 3 x 10-4 m/s. Sur la seconde, l’amplitude croit progressivement, avec des pics moins marqués. Le géophone aval (fig. 3E et fig. 4D) montre également deux phases nettement séparées. Lors de la première, de 14 h 28 à 14 h 41, l’amplitude est assez réduite (1 x 10-4 m/s, avec de rares pics à plus de 2 x 10-4 m/s) et relativement homogène. La seconde montre au contraire des signaux de plus forte amplitude presque instantanément dès 14 h 41. Les deux géophones étant distants de seulement 76 m, les signaux sismiques ne nous ont malheureusement pas permis de calculer la vitesse de propagation des deux fronts. Le diagramme TFA (Time Frequency Analysis ; fig. 3F et fig. 4C et E) représente la distribution temporelle des fréquences enregistrées lors de l’écoulement, qui nous renseigne principalement sur le transport de blocs par charriage au fond du lit. Ainsi les deux géophones en amont et en aval montrent la même fréquence, entre 150 Hz et 240 Hz, jusqu’à environ 14 h 40. Après 14 h 42, les gammes de fréquence diffèrent entre les deux géophones : à hauteur du géophone amont, la fréquence dominante varie entre 10 et 50 Hz (fig. 4C). Le pic de fréquence pour ce géophone est assez bas, de l’ordre de 20 Hz. A hauteur du géophone aval, la gamme de fréquence est plus large, de 10 à 150 Hz, avec une fréquence dominante à 70 Hz (fig. 3F et fig. 4E). Concernant les signatures sismiques de la deuxième phase du lahar (phase à coulée de débris), nos résultats mettent donc en évidence une variation de fréquence assez marquée entre deux capteurs identiques, reliés à la même station et distants de seulement 76 m l’un de l’autre. Ces variations sont par conséquent inhérentes à la dynamique de l’écoulement, qui est discutée ci-dessous.

4. Discussion

4.1. Quatre grandes phases d’écoulement

25Notre approche couplée vidéo-géophysique a permis de distinguer quatre grandes phases d’écoulement du lahar du 28 février 2014 dans la rivière Gendol.

4.1.1. Un écoulement hyperconcentré initial

26D’une profondeur ne dépassant pas 2 m, cet écoulement de couleur marron foncé ne comporte que peu de blocs visibles en surface. Les deux géophones en amont et en aval montrent une fréquence assez élevée, entre 150 Hz et 240 Hz, qui semblent indiquer qu’assez peu de gros blocs sont transportés par charriage durant cette phase, y compris lors de sa survenue. La présence de cet écoulement hyperconcentré initial de courte durée (< 15 min) atteste que le lahar a été déclenché à la suite d’une averse violente mais très brève. Une vingtaine de mm sont tombés en moins de 90 minutes au niveau du géophone (1 121 m asl), ce qui a engendré des ruissellements locaux avec un faible ravinement. L’accumulation de ces ruissellements a atteint le site d’étude sous la forme d'un écoulement hyperconcentré initial. Ce dernier n’a pas eu le temps d’éroder suffisamment le chenal pour constituer une charge solide à même de générer une coulée de débris. En revanche, en même temps que l’initiation de l’écoulement hyperconcentré, une averse plus en amont à 1 500 m d’altitude a engendré une érosion massive (glissements de terrain) ayant abouti à la formation d’une coulée de débris (cf. Lavigne et al., 2000 ; Vallance, 2005 pour plus de précisions sur ce type de processus).

4.1.2. Une coulée de débris caractérisée par deux pulsations principales

27Un front pierreux progressant plus rapidement que le front de l’écoulement hyperconcentré initial (tab. 1) est filmé vers 14 h 41. Il est suivi par deux pulsations très marquées en seulement trois minutes, la seconde correspondant au pic de débit du lahar, ce dernier étant multiplié par 15 par rapport à l’écoulement hyperconcentré initial (fig. 3A et 3C). Cette phase extrêmement brève conforte l’idée d’une violente averse très courte (quelques minutes) survenue entre 1 500 et 2 000 m d’altitude. L’origine de ces pulsations peut s’interpréter de plusieurs manières : (1) elles pourraient être liées à un regain d’intensité de la pluie durant l’écoulement (fig. 2), phénomène déjà décrit pour les lahars de la vallée Boyong en 1995 (Lavigne, 1998 ; Lavigne et Thouret, 2000) ; (2) mais au vu de l’intervalle de temps très court entre ces deux pulsations, elles sont plus probablement dues à l’arrivée non synchrone d’un lahar issu d’une branche affluente du chenal principal dans sa partie amont, visible sur la carte du site d’étude (fig. 1). Par ailleurs, ces deux pulsations correspondent à l’arrivée de deux convois de blocs très rapprochés, transportés principalement en surface : la vidéo montre en effet un très grand nombre de blocs flottés (279 blocs en 3 minutes) alors que les signaux sismiques n’atteignent pas leur amplitude maximum. On remarque en outre que le maximum de blocs visibles en surface est atteint entre ces deux pulsations. On en déduit que le convoi de blocs vers 14 h 43 a tendance à freiner l’écoulement à la manière d’un front, qui est suivi par un pic maximum de vitesse et de débit du lahar. Ces pulsations ont ainsi modifié la relation entre la profondeur et la vitesse d’écoulement. Nous avons calculé un R= 0,75 (avec pulsations, fig. 5A) et un R2 = 0,83 (sans pulsations, fig. 5B).

Fig. 5 – Relation entre profondeur et vitesse : avec pulsations (A) et sans pulsations (B).
Fig. 5 – Relation between flow depth and velocity : with lahar pulses (A) and without lahar pulses (B).

Fig. 5 – Relation entre profondeur et vitesse : avec pulsations (A) et sans pulsations (B). Fig. 5 – Relation between flow depth and velocity : with lahar pulses (A) and without lahar pulses (B).

Les pulsations contiennent l’augmentation de la profondeur et la diminution de la vitesse qui, par la suite, diminue la relation entre la profondeur et la vitesse (R2 = 0.75).
Lahar pulse contains the increasing depth and the decreasing velocity which turn down the relation between depth and velocity (R2 = 0.75).

4.1.3. Le corps du lahar reste de type « coulée de débris »

28À la suite du pic, la profondeur et le débit du lahar s’abaissent brusquement, mais plusieurs petites pulsations secondaires, typiques des coulées de débris (Doyle et al., 2010), sont observées pendant au moins une vingtaine de minutes. La forte concentration sédimentaire du lahar est attestée par la couleur encore très foncée de l’écoulement mais surtout par la présence de plusieurs convois de blocs flottés. Nous avons également observé l’existence de matériaux secs flottant à la surface de l’écoulement lors de la troisième pulsation, matériaux effondrés des berges pendant le passage du lahar (fig. 6). La présence de nombreux blocs flottés implique une pression dispersive encore importante où les contraintes de cisaillement internes sont dirigées tangentiellement par rapport à la surface du fluide (Coussot, 1997). Le flottage des blocs suggère aussi une faible différence de densité entre les particules solides et le fluide liquide (Vallance, 2005) qui est à l’origine du phénomène de flottabilité (buoyancy en anglais). La figure 3E montre cependant que les signaux sismiques ont une amplitude maximale lors de cette phase, ce qui suggère un transport préférentiel des blocs par saltation, voire par charriage sur le fond pour les plus gros d’entre eux.

Fig. 6 – Images capturées pendant le pic du lahar.
Fig. 6 – Screenshoots of lahar peak.

Fig. 6 – Images capturées pendant le pic du lahar. Fig. 6 – Screenshoots of lahar peak.

A : Blocs ; B : matériaux d'effondrement à la surface d’écoulement.
A: Boulders; B: landslide materials on the flow surface.

4.1.4. La queue du lahar est marquée par une dilution progressive

29À partir de 15 h 00, le débit du lahar a continué de décroître et l’écoulement s’est progressivement dilué, comme l’atteste sa couleur de plus en plus claire. Durant cette phase de transition d’un écoulement hyperconcentré à une phase fluviatile, le lahar a perdu la compétence nécessaire au transport des blocs.

4.2. Intérêt de la confrontation entre données géophysiques et observations visuelles

30L’instrumentation géophysique a été largement utilisée pour étudier la dynamique des lahars (LaHusen, 1998 ; Zobin et al., 2009 ; Doyle et al., 2010 ; Cole et al., 2009 ; Buurman et al., 2013) et des laves torrentielles dans les montagnes non volcaniques (Arattano et Moia, 1999 ; Huang et al., 2007 ; Huang et al., 2008 ; Hübl et al., 2012 ; Abancó et al., 2014). Ces capteurs permettent d’obtenir des données fiables concernant la vitesse d’accélération sismique, la durée, la fréquence et la forme des ondes. Les basses fréquences (< 30 Hz) sont censées donner une approximation de la charge de fond des écoulements et des blocs transportés par saltation, tandis que les fréquences plus élevées sont généralement considérées comme représentatives d’écoulements hyperconcentrés, moins chargés en matériaux. Cependant, de nombreux paramètres hydrauliques tels que la profondeur, la vitesse, la largeur ou le débit du lahar ne sont pas quantifiables par la seule approche géophysique. De même, le transport des blocs en suspension n’est pas enregistré sur les canaux de basses fréquences des sismomètres. L’originalité de notre étude a été de coupler une analyse des signaux sismiques enregistrés par deux géophones à une reconstitution détaillée de la dynamique d’un lahar à partir d’images vidéo prises du début à la fin de l’écoulement. Jusqu’ici, seuls quelques travaux ont utilisé une telle approche (e.g., Lavigne et al., 2003), et aucune avec un tel degré de précision dans l’analyse d’image vidéo, que ce soit pour les lahars ou les coulées de débris de montagne. Deux principaux points, rassemblés dans les paragraphes suivants, ont ainsi été mis en évidence par ce croisement de méthodes.

4.2.1. Une réponse sismique variant fortement en fonction de la morphologie du chenal

31Pendant le passage du front pierreux et des premières pulsations, la réponse des deux géophones est différente. Le géophone amont enregistre une fréquence variant de 5 à 50 Hz (fréquence dominante d’environ 20 Hz), typique de celles attestées dans la littérature portant sur les coulées de débris (tab. 3). En revanche, le géophone aval indique une gamme de fréquence plus large, variant de 5 à 150 Hz (fréquence dominante d’environ 70 Hz). Cette différence pourrait s’expliquer par la présence en amont d’un ressaut hydraulique d’une dizaine de mètres de haut, dû à une érosion différentielle entre une coulée de lave au fond du lit et des matériaux pyroclastiques sous-jacents (fig. 7A et B). La chute des blocs dans cette cascade engendre principalement des basses fréquences, qui sont bien moins enregistrées quelques dizaines de mètres en aval dans la mesure où les blocs sont remobilisés assez vite par saltation puis flottés pour certains (fig. 7).

Tab. 3 – Gamme de fréquence de coulées de débris et écoulement hyperconcentré.
Tab. 3 – Frequency range of debris flow and hyperconcentrated flow.

Tab. 3 – Gamme de fréquence de coulées de débris et écoulement hyperconcentré. Tab. 3 – Frequency range of debris flow and hyperconcentrated flow.

DF = coulée de débris, HF = écoulement hyperconcentré, SF = écoulement fluvial.
DF = debris flow, HF = hyperconcentrated flow, SF = streamflow.

Huang et al. (2007) et Yin et al. (2011) montrent la gamme de fréquences élevée pour les coulés de débris sans en expliquer la raison.
Huang et al. (2007) and Yin et al. (2011) mention high frequency range for debris flows without explaining the reason.

Fig. 7 – Schéma de la dynamique du lahar : vue horizontale (A) et vue verticale (B).
Fig. 7 – Sketch of lahar dynamics : horizontal view (A) and vertical view (B).

Fig. 7 – Schéma de la dynamique du lahar : vue horizontale (A) et vue verticale (B). Fig. 7 – Sketch of lahar dynamics : horizontal view (A) and vertical view (B).

Le ressaut hydraulique force les blocs à heurter le lit du chenal sur le site amont, les mêmes blocs étant flottés sur le site aval.
The boulders are forced to hit the riverbed at upstream site and then the same boulders float at downstream site.

4.2.2. Une réponse sismique des coulées de débris à interpréter avec prudence

32Contrairement à ce qui est souvent avancé dans la littérature, notamment par les concepteurs des AFM (Acoustic Flow Monitor ; LaHusen, 1998), les fréquences supérieures à 100 Hz ne correspondent pas systématiquement à une phase d’écoulement hyperconcentré (tab. 3). Nos résultats montrent sans ambiguïté que la fréquence sismique du corps du lahar du 28 février 2014 peut atteindre 150 Hz pendant une phase de coulée de débris. En effet, dès le passage du front, où les blocs de taille métrique sont déplacés par charriage, le corps du lahar continue de transporter des blocs, mais en saltation ou en suspension, limitant les contacts avec le sol. Il faut conclure de cette observation que la seule mesure de la fréquence dominante d’un écoulement ne permet pas de différencier les écoulements hyperconcentrés des coulées de débris. Pour ces deux raisons, les mesures géophysiques doivent être interprétées avec la plus grande prudence lorsqu’elles ne sont pas calibrées grâce à des observations in-situ des écoulements et des mesures par vidéo.

4.3. Enjeu et reproductibilité de la méthode

33Sur le volcan Merapi, la gestion du risque des lahars s'appuie sur les données sismiques et la modélisation numérique. Les données sismiques parviennent à détecter les lahars mais ne sont pas capables de décrire la dynamique de mouvement des lahars. Un même évènement qui se produit dans un environnement similaire produit un signal sismique identique (Zobin et al., 2009 ; Quang et al., 2015). Or, les lahars modifient leur environnement au cours de l’événement, modifiant ainsi les signaux sismiques en temps réel. L’observation vidéo réussit à résoudre cette limitation en fournissant l’estimation des paramètres et des comportements hydrologiques d’écoulement qui est également utile pour la modélisation des lahars.

5. Conclusion

34La méthodologie originale fondée sur le couplage d’images vidéo et de données sismiques peut être considérée comme une approche alternative à la recherche des dynamiques des lahars, dans la mesure où le suivi direct des lahars sur le terrain est souvent difficile et dangereux. La vidéo sert à calculer la magnitude, la vitesse, le débit, l’évolution du processus pendant l'événement. Les données sismiques permettent d’identifier la fréquence, l’amplitude, et la durée de chaque phase d'évolution des lahars. Les données sismiques doivent être interprétées avec prudence lorsqu'on les compare aux données hydrologiques dérivées de la vidéo, en raison du changement des caractéristiques morphologiques du chenal pendant l’événement. L’information portant sur la dynamique de mouvement des lahars doit être prise en compte de manière très détaillée car c'est un critère très important pour la détection automatique et la modélisation des lahars, approches qui sont régulièrement utilisées dans la gestion de ce type de risque.

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Annexe

Abridged english version

Lahar is an Indonesian term which describes a mass wasting event, characterized by dense mixtures of volcanic materials and water, rapidly flowing on or from a volcano with important spatio-temporal rheological changes (van Bemmelen, 1949; Smith and Fritz, 1989; Voight, 1990; Neall, 2004; Vallance, 2005). Lahar dynamics is still poorly understood because real-time and in-situ physical data acquisitions can put researchers at risk. Despite a challenging behavior, the understanding of lahar dynamics is extremely important, especially to improve lahar modelling codes and also automatic lahar detection in order to support disaster risk management (Zhang, 1993; Schilling, 1998; LaHusen, 1998; Arattano, 1999; Patra et al., 2003; Arattano and Marchi, 2008; Gomez and Lavigne, 2010; Abancó et al., 2012; Conviello et al., 2015a et b; Ogiso and Yomogida, 2015). Most of lahar monitoring stations located in remote areas rely on geophysical instrumentations, such as broadband seismometer or Acoustic Flow Monitor (AFM). Some multi parameter sensors have also been integrated to these stations when sufficient power supply was available. Telemetry technology allows to transmit the recorded information to a receiver at observatory office. These almost maintenance-free stations make monitoring activity much easier. However, a detailed geomorphological interpretation of lahar dynamics remains challenging without performing any in-situ observation using good visual images of the flow in motion. Consequently, the authors present in this research a coupling method between video and seismic data acquisition in order to analyze lahar dynamics in natural channel. The fieldwork was conducted on the southern slope of Merapi volcano where 45 x 10m3 of pyroclastic materials had been deposited after its centennial eruption (VEI 4) on October and November 2010 (Solikhin et al., 2015). No less than 282 and 108 lahar events occurred from October 2010 to 2011 and from 2012 to 2013, respectively, in 17 rivers surrounding Merapi (De Bélizal et al., 2013; Lavigne et al., 2015). The decreasing stock of unconsolidated materials would affect lahar triggering process and cause this downtrend of lahar recurrence (Vallance, 2005). Kelud eruption (210 km away) on 13 February 2014 added abundant volcanic ash fall on Merapi Volcano and its surrounding area the following day. The thickness of this very fresh ash deposit varied from 2 mm (Yogyakarta city and Magelang regency) to 5 mm (Sleman regency and Klaten regency). After the Kelud eruption, the frequency of lahars at Merapi increased instantly (19 lahars during 30 days following the eruption). Lahar on 28 February 2014, which is presented in this research, was the first major event during this period.

We installed a seismic station at the edge of a bank the Gendol river, 4.6 km from the summit at 1090 m asl (fig. 1). This station includes a 16-bits MYOTIS datalogger, powered by a 50W solar panel and a 12V battery, and 2 seismic geophones (natural frequency 4.5 Hz) installed 76 m apart and parallel to the river channel. We also installed an automatic camera on the left bank and a manual video on the right bank of the river. Two tipping bucket rain gauges were also mounted at the south-western and south-eastern flanks of the volcano at 1100 m asl. We used also walky-talky to receive seismic signal from the seismometers operated by Geological Disaster Technology Development and Research Center (Balai Penyelidikan dan Pengembangan Teknologi Kebencanaan Geologi/BPPTKG) and to stay connected with local communities. DOMERAPI project has also provided us seismic data from the Guralp CMG-6TD seismometer installed close to the summit. This helps us calculating the average lahar velocity, based on the triggering time and on the distance between triggering area and the instrumented site. MTSAT satellite imagery (1 hour temporal resolution; 4 km spatial resolution) allowed us to identify recent cloud formations over the volcano and its surrounding area (fig. 2). The Picture Motion Browser Software was used to analyze the lahar footage which displays 25 frames per second. A particular distance of 7.8 m between two random markers in the field was defined as horizontal scale. The height of the first author of this paper (1.76 m) was used as vertical scale. The seismic data have been processed with two softwares: LEESA (©MYOTIS) and GEOPSY (an open source software). For the first stage, seismic data have been filtered with a 5-240 Hz band pass Butterworth filter. Then, Time Frequency Analysis (TFA) was performed to identify the properties of the signals.

The results show that the lahar of 28 February 2014 was triggered at 14:11 at the summit area, and arrived at the observation site at 14:28 with an average velocity of 4.1 m/s following a rainfall coming from the eastern part of the volcano (tab. 1). The rainfall intensity was 24 mm from 13:20 to 14:27 (or 1 hour 27 minutes). However, this value cannot be considered as a threshold since most of the lahar-triggering rainfall events are located between 1500 – 2000 m asl (Lavigne, 1998). Four flow phases can be identified during this lahar (tab. 2). The pre-event is identified as a streamflow (14:25 – 14:28) which results from the runoff on the riverbed and from the riverbank. The first phase is identified as a hyperconcentrated flow (14:28 – 14:41) which reached a maximum depth of 1.6 m with maximum velocity and discharge of 5 m/s and 40 m3/s, respectively (fig. 3). The second phase is identified as a peak of debris flow (14:41 – 14:44) which reached a maximum depth of 7 m, a mean velocity of 16 m/s, and a maximum discharge of 473 m3/s. The third phase is identified as the lahar body (14:44-15:00) that was characterized by a non-regular decrease of the flow stage (from 4 m to 1 m), velocity (from 12 to 4 m/s), and discharge (from 80 to less than 10 m3/s). The fourth phase is lahar tail (15:00 – 16:12) which is indicated by a slow decrease of the flow stage (from 1 m), velocity (from 4 m/s), and discharge (from 10 m3/s) until it reach a static states at the end of lahar. The transport of visible boulders was concentrated at the peak of the debris flow phase with 279 boulders during 3 minutes (or 93 boulders/minute). The maximum volume of boulders reached 7.6 m3 (4.85 m x 1.17 m x 1.33 m). Most of rocks at Merapi volcano are classified as andesite rocks of which the density vary between 2.5 and 2.8 tons/m3. Based on the volume and rock density, the lahar flow competence could be estimated. In this case, the lahar of 28 February 2014 was able to transport boulders weighting more than 20 tons. The seismic signals of the two geophones (upstream and downstream) show the same frequency for the hyperconcentrated flow (150-240 Hz). However, for the debris-flow phase, the geophone responses were surprisingly different. The upstream geophone recorded a frequency range between 10 – 50 Hz with a peak frequency at 20 Hz, while the frequency range from the downstream geophone recorded a frequency between 10 – 150 Hz, with peak frequency at 70 Hz (fig. 4).

The originality of this study is the coupling between video and seismic approach in natural channel. In-situ observation and video analysis allowed us to identify detailed transport processes and to calculate hydrological parameters such as flow stage, velocity, width, and discharge. It also helped us quantifying visible boulders during lahar event. Seismic analysis allowed to measure geophysical parameters such as seismic velocity, frequency and duration of each lahar phases. Coupling between these two approaches provided us an in-depth lahar analysis tool in the field. Direct sampling of sediment concentration during the event was extremely dangerous and impossible because this lahar reached 6 m deep and a velocity of 16 m/s. However, it was a minor limitation since the quantification of floating boulders larger than 1 m diameter could somewhat replace the lack of sediment concentration data in order to identify lahar phases. Based on the discharge and number of visible boulders (fig. 3), lahar phases still could be clearly distinguished (stream flow, hyperconcentrated flow, debris flow front and peak, debris flow – lahar body, hyperconcentrated flow – lahar tail). This lahar had one peak discharge which was directly followed by two major pulses, while lahars in 2011 at the same river contained irregular and multipeaked discharges (de Bélizal et al., 2013). Overbank flow didn’t occur during this lahar, contrary to other lahars in 2011 (de Bélizal et al., 2013; Solikhin et al., 2015). Most of the transported boulders were forced to touch the riverbed at the upstream observation site due to a break-in-slope which creates a waterfall. However, further downstream, the same boulders floated due to buoyancy and dispersive pressure effects within the flow (fig. 7). Buoyancy indicated the low variation of density between solid and liquid parts within the flow (Vallance, 2005), while dispersive pressure was a result of bouncing boulders during the flow (Coussot, 1997). Floated dry materials (sands, boulders, and debris) at flow surface were also noticed, attesting the occurrence of bank collapse during the lahar event (fig. 6). This transport process produced a higher frequency of seismic signal at the downstream site (5-150 Hz) compared to the seismic signal recorded at the upstream site (5-50 Hz). This interpretation is confirmed by the result of video analysis during debris flow phase at downstream site. However, debris flows are often classically interpreted in the literature by low frequency range (tab. 3). Only debris flow researchers in Taiwan mentioned the same high frequency range, unfortunately without explaining the reason (Huang et al., 2007; Yin et al., 2011). Given that seismic responses might vary according to the channel morphology, geophysical parameters must be very carefully interpreted if it is not calibrated by any in-situ observation and/or video analysis.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 – Carte du site d’étude. Fig. 1 – Map of study site.
Légende 1 : sommet du Merapi ; 2 : cours d’eau ; 3 : coulée pyroclastique 2010 ; 4 : déferlante pyroclastique 2010 ; 5 : pluviomètre ; 6 : site d’étude. 1: Merapi summit; 2: Rivers; 3: Pyroclastic flow 2010; 4: Pyroclastic surge 2010; 5: Raingauge; 6: Observation site.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11090/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 1,7M
Titre Fig. 2 – Images MTSAT du 28 février 2014 de 13 h à 18 h. Fig. 2 – MTSAT imagery on the 28th of February 2014 from 13:00 to 18:00.
Légende A : distribution spatio-temporel de la pluie ; B : précipitations enregistrées sur les flancs sud-est et sud-ouest du volcan Merapi. A: Spatio-temporal rainfall distribution; B: Recorded accumulated rainfall on southeastern and southwestern slope of Merapi volcano.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11090/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 348k
Titre Fig 3 – Lahar du 28 février 2014. Fig. 3 – Lahar on 28th of February 2014.
Légende A : profondeur ; B : vitesse surfacique ; C : débit ; D : nombre de blocs ; E : signature sismique ; F : analyse temps fréquence. Suite à un problème technique, le signal sismique est interrompu à 14 h 46. A: Flow depth; B: Velocity at surface; C: Discharge; D: Number of boulders; E: Seismic waveform; F: Time frequency analysis. Due to technical problem, seismic station stops recording at 14:46.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11090/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 680k
Titre Fig. 4 – Fréquence sismique de l’écoulement hyperconcentré et de la coulée de débris. Fig. 4 – Seismic frequency of hyperconcentrated flow and debris flow.
Légende A : débit total ; B et C : sismogramme et spectrogramme de géophone amont ; D et E : sismogramme et spectrogramme de géophone aval. La forme d’onde et la fréquence sismique sont diffèrent pour la phase de coulée de débris. A: Total discharge; B and C: Seismogram and spectrogram of upstream geophone; D and E: Seismogram and spectrogram of downstream geophone. Seismic waveform and frequency are surprisingly different for debris flow phase.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11090/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 800k
Titre Fig. 5 – Relation entre profondeur et vitesse : avec pulsations (A) et sans pulsations (B). Fig. 5 – Relation between flow depth and velocity : with lahar pulses (A) and without lahar pulses (B).
Légende Les pulsations contiennent l’augmentation de la profondeur et la diminution de la vitesse qui, par la suite, diminue la relation entre la profondeur et la vitesse (R2 = 0.75). Lahar pulse contains the increasing depth and the decreasing velocity which turn down the relation between depth and velocity (R2 = 0.75).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11090/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 200k
Titre Fig. 6 – Images capturées pendant le pic du lahar. Fig. 6 – Screenshoots of lahar peak.
Légende A : Blocs ; B : matériaux d'effondrement à la surface d’écoulement. A: Boulders; B: landslide materials on the flow surface.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11090/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 1,7M
Titre Tab. 3 – Gamme de fréquence de coulées de débris et écoulement hyperconcentré. Tab. 3 – Frequency range of debris flow and hyperconcentrated flow.
Légende DF = coulée de débris, HF = écoulement hyperconcentré, SF = écoulement fluvial. DF = debris flow, HF = hyperconcentrated flow, SF = streamflow.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11090/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 3,4M
Titre Fig. 7 – Schéma de la dynamique du lahar : vue horizontale (A) et vue verticale (B). Fig. 7 – Sketch of lahar dynamics : horizontal view (A) and vertical view (B).
Légende Le ressaut hydraulique force les blocs à heurter le lit du chenal sur le site amont, les mêmes blocs étant flottés sur le site aval. The boulders are forced to hit the riverbed at upstream site and then the same boulders float at downstream site.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11090/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 1,5M
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Pour citer cet article

Référence papier

Sandy Budi Wibowo, Franck Lavigne, Philippe Mourot, Jean-Philippe Métaxian, Marie Zeghdoudi, Clément Virmoux, Cosmas Bambang Sukatja, Danang Sri Hadmoko et Bachtiar Wahyu Mutaqin, « Analyse couplée d'images vidéo et de données sismiques pour l’étude de la dynamique d’écoulement des lahars sur le volcan Merapi, Indonésie », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 21 – n° 3 | 2015, 251-266.

Référence électronique

Sandy Budi Wibowo, Franck Lavigne, Philippe Mourot, Jean-Philippe Métaxian, Marie Zeghdoudi, Clément Virmoux, Cosmas Bambang Sukatja, Danang Sri Hadmoko et Bachtiar Wahyu Mutaqin, « Analyse couplée d'images vidéo et de données sismiques pour l’étude de la dynamique d’écoulement des lahars sur le volcan Merapi, Indonésie », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 21 – n° 3 | 2015, mis en ligne le 01 janvier 2016, consulté le 26 juin 2017. URL : http://geomorphologie.revues.org/11090 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.11090

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Auteurs

Sandy Budi Wibowo

Université Paris 1 Panthéon-SorbonneLaboratoire de Géographie Physique, UMR 8591 CNRS, Bâtiment Y1 place Aristide Briand, 92195 Meudon Cedex, France (sandy_budi_wibowo@yahoo.co.id).

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Franck Lavigne

Université Paris 1 Panthéon-SorbonneLaboratoire de Géographie Physique, UMR 8591 CNRS, Bâtiment Y1 place Aristide Briand, 92195 Meudon Cedex, France (franck.lavigne@univ-paris1.fr).

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Philippe Mourot

Myotis S.A.S7 rue des tropiques, 38130 Echirolles, France (pmourot@myotis.fr). 

Jean-Philippe Métaxian

Institut des Sciences de la TerreUMR 5275 IRD CNRSUniversité Savoie Mont Blanc, Campus Scientifique73376 Le Bourget du Lac Cedex, France (jean-philippe.metaxian@ird.fr). 

Marie Zeghdoudi

Université Paris-SudGEOPSUMR 8148 CNRS, Bâtiment 504Rue du Belvédère, Campus Universitaire d’Orsay, 91405 Orsay Cedex, France (marie.zeghdoudi@gmail.com). 

Clément Virmoux

Université Paris 1 Panthéon-SorbonneLaboratoire de Géographie Physique, UMR 8591 CNRS, Bâtiment Y1 place Aristide Briand, 92195 Meudon Cedex (clement.virmoux@lgp.cnrs.fr).

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Cosmas Bambang Sukatja

Sabo CenterMinistry of Public WorksSopalan, Maguwoharjo, Depok, 55282 Sleman, Territoire Spécial de Yogyakarta, Indonésie (cosabam@yahoo.com).

Danang Sri Hadmoko

Research Center for Disaster (PSBA)Gadjah Mada UniversityJl. Mahoni C-16, Bulaksumur, 55281 Sleman, Territoire Spécial de Yogyakarta, Indonésie (danang@geo.ugm.ac.id). 

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Bachtiar Wahyu Mutaqin

Faculty of GeographyGadjah Mada UniversitySekip Utara Jalan Kaliurang, Bulaksumur, 55281 Sleman, Territoire Spécial de Yogyakarta, Indonésie (mutaqin@ugm.ac.id).

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