Pour les personnes vivant près des volcans, le danger va bien au-delà des flux de lave et des nuages de cendres. Certaines éruptions explosives peuvent entraîner des effondrements dramatiques des côtés d'un volcan, comme ceux de Mount St. Helens, Washington et Anak Krakatau, en Indonésie. Ce dernier a déclenché des tsunamis blâmés pour la plupart des décès de ses éruptions historiques en 1883.
Mais la science et les déclencheurs exacts derrière de telles catastrophes restent largement inconnus. Pour aider les scientifiques à prévoir l'effondrement des côtés du volcan, également connu sous le nom de flancs ou de pentes, Cholelle Wauthier, professeur agrégé du département de Géosciences de Penn State et du directeur du Hub Sciences de la computation à l'Institut pour les sciences de la computation et les sciences des données, a conduit le développement de nouveaux modèles qui peuvent évaluer la stabilité d'un volcan.
Les modèles, publiés dans le Journal of Geophysical Research: Solid Earthpeut aider les autorités et les communautés locales en évaluant le potentiel d'effondrement bien avant que le sol ne puisse céder entièrement et soudainement.
« L'apport du magma sous le volcan met la croûte sous une énorme pression – beaucoup plus forte que la pression de l'eau », a déclaré Wauthier. « Il exerce une énorme force sur les rochers qui peuvent aider à déstabiliser le volcan et à s'effondrer. Mais nous ne connaissons pas vraiment les conditions exactes qui favoriseraient l'instabilité, et évaluer les facteurs de déclenchement est assez complexe. »
S'appuyant en partie à partir d'exemples réels de glissement de pentes de volcanes – y compris des sites à Hawaï qui ont connu l'effondrement – Wauthier et ses partenaires de recherche ont développé un moyen de prédire comment les pentes réagiraient à l'augmentation du magma dans des conditions variables. Le magma est la roche fondue qui devient de lave une fois qu'elle émerge sur la surface de la Terre. Ils ont également évalué où le glissement de la surface serait plus ou moins probable, conformément aux changements attendus de stabilité.
Leurs nouveaux modèles s'appuient sur la connaissance préalable de l'emplacement du magma. Le magma montant sous un volcan peut forcer le glissement sur les défauts existants – des zones fracturées où deux blocs de roche peuvent se déplacer par rapport à l'autre. Le glissement dans ces endroits peut finalement s'effondrer.
« Si vous avez une idée de quelle zone du volcan est plus susceptible de s'effondrer, vous pouvez placer des capteurs au sol tels que des sismomètres ou un GPS pour surveiller un flanc risqué sur une minute à minute ou une heure à l'heure bien avant un effondrement », a déclaré Wauthier, qui est également un affilié de la Faculty à la Terre et à l'environnement Systems Institute.
Pour aider à faire des prédictions, l'équipe de recherche s'est concentrée sur les trempettes de failles ou l'angle d'une faille ou de fracture de roche par rapport à la surface horizontale. Les chercheurs ont trouvé le sol plus susceptible de céder la place aux pentes avec des baisses de faille peu profondes sous la surface, en particulier si le magma ouvre la croûte sous le sommet du volcan. Comme les piles de blocs côte à côte sur une diapositive de terrain de jeu, plus de baisses de failles verticales sur des flancs plus raides sont également sujets à l'instabilité, ont déclaré les chercheurs.
Ils ont noté que la topographie a un impact considérable sur les prédictions du mouvement du sol, un facteur souvent négligé dans d'autres études.
« Cette recherche fondamentale peut avoir des applications utiles pour mieux évaluer les risques et les zones d'effondrement spécifiques du volcan qui sont plus sensibles à l'instabilité », a déclaré Wauthier. « À long terme, pousser ce type de recherche pourrait aider les communautés adjacentes aux volcano en leur donnant le temps de préparer et d'évacuer avant un effondrement si besoin est. »
Historiquement, a-t-elle dit, les effondrements causés par l'activité volcanique ont été particulièrement menaçants pour la vie humaine. Lorsque le mont St. Helens a éclaté en mai 1980, son effondrement a supprimé le plafond de son réservoir de magma, entraînant une éruption explosive encore plus violente. En tout, 57 personnes sont mortes dans l'éruption du mont Saint-Hélens; 27 ponts et près de 200 maisons ont été détruits.
Un siècle plus tôt, l'éruption d'août 1883 d'Anak Krakatau – un autre exemple d'effondrement volcanique – a fait plus de 36 000 décès et a ruiné des dizaines de villages. Les vagues de tsunamis ont été enregistrées à plus de 100 pieds de haut.
Après l'effondrement et l'éruption du volcan en décembre 2018, plus de 400 personnes sont mortes au milieu d'un tsunami massif. Wauthier et ses collègues ont également étudié cet événement, trouvant que le flanc de la montagne glissait depuis des années.
« Ces effondrements peuvent être très, très dangereux », a déclaré Wauthier, dont la recherche se concentre sur l'atténuation des risques naturels des volcans, des glissements de terrain et des tremblements de terre, entre autres.
Elle a dit que les volcans les plus explosifs se forment le long des arcs de subduction, où une plaque tectonique est subduite ou enterrée sous une autre. De nombreux volcans de la zone de subduction sont situés le long des côtes, notamment en Indonésie et le long des îles Aléoutiennes en Alaska. Les volcans à Hawaï peuvent également être instables par endroits, bien qu'ils ne soient pas aussi explosifs que ceux des zones de subduction, a déclaré Wauthier.
Les recherches de suivi peuvent se concentrer sur le renforcement des calculs du modèle et le test des modèles dans d'autres conditions variables, a-t-elle déclaré.
Les autres contributeurs à l'étude sont Judit Gonzalez-Santana, un ancien étudiant diplômé et érudit postdoctoral au sein du groupe de Wauthier en géosciences à Penn; Jay Sui Tung, professeur adjoint en géophysique à la Texas Tech University; et Timothy Masterlark, professeur de géologie et de génie géologique à la South Dakota School of Mines and Technology.
