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.
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.
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°).
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.
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.
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.
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
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Résultat d'analyse / Result
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Type de Lahar / Lahar type
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Coulée de débris
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Date / Date
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le 28 février 2014
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Déclenchement au sommet / Triggering time on summit area
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14:10:56
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Arrivée de l'écoulement hyperconcentré initial / Arrival of initial hyperconcentrated flow
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14:28:53
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Arrivée du front / Front arrival
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14:41:09
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Arrivée de la pulsation 1 / Arrival of the first lahar pulse
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14:41:35
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Arrivée de la pulsation 2 / Arrival of the second lahar pulse
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14:42:16
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Durée / Duration
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1h44
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Durée d'analyse / Duration of analyze
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1 heure
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Pluie sud-est / Southeastern rainfall
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24 mm (13 h 20 – 14 h 47)
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Pluie Ouest / Southwestern rainfall
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10,6 mm (15 h 09 -16 h 17)
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Vitesse moyenne du lahar / Average velocity of lahar
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4,12 m/s
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Vitesse du front / Front velocity
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8,5 m/s
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Vitesse surfacique maximum / Maximum surface velocity
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14,5 m/s
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Débit maximum / Maximum discharge
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473 m3/s
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Volume total d'écoulement / Total volume of lahar
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> 116 524 m3
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Nombre d'effondrements / Number of bank collapses
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192
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Nombre minimum de blocs visibles / Number of visible boulders
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595
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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Phase
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Temps
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Valeur maximum
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Profondeur (m)
|
Vitesse surfacique (m/s)
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Débit (m3/s)
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1
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Ecoulement hyperconcentré
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14 h 28 – 14 h 41
|
1,6
|
5
|
40
|
2
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Pic de coulée de débris
|
14 h 41 – 14 h 44
|
7
|
16
|
473
|
3
|
Corps du lahar
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14 h 44 – 15 h 00
|
4
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12
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80
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4
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Queue du lahar
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15 h 00 – 16 h 12
|
1
|
4
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10
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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.
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.
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.
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.
25Notre approche couplée vidéo-géophysique a permis de distinguer quatre grandes phases d’écoulement du lahar du 28 février 2014 dans la rivière Gendol.
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).
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 R2 = 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).
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).
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.
A : Blocs ; B : matériaux d'effondrement à la surface d’écoulement.
A: Boulders; B: landslide materials on the flow surface.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.