Département de géomatique appliquée Faculté des lettres et sciences humaines Université de Sherbrooke Caractérisation de l’incidence du couvert nival sur la dimension des lahars en cas d’éruption : étude de cas sur le Mont Rainier, Washington, États- Unis d’Amérique LEVIN-EDUARDO CASTILLO-GUIMOND M. Sc. A. Essai présenté pour l’obtention du grade de Maître ès sciences géographiques (M. Sc.), cheminement Géodéveloppement durable Mai 2017 © Levin-Eduardo Castillo-Guimond, 2017 RÉSUMÉ Le lahar est une ou plusieurs coulées de débris saturée(s) en eau, où les débris sont essentiellement rocheux. C’est un géorisque volcanique pouvant grandement affecter l’homme et ses infrastructures. La quantité d’eau disponible est un des principaux facteurs limitant leur taille. Cette eau peut provenir de la fonte du couvert nival du volcan, de son système hydrothermal interne ou de fortes pluies. Pour former un lahar, l’eau doit incorporer une grande quantité de matériel en dévalant les pentes de l’édifice volcanique. Les lahars sont considérés comme étant primaires lorsqu’ils sont générés par une éruption et secondaires lorsqu’ils se forment après une éruption ou sans être reliés à une éruption. Les lahars primaires sont toujours formés par la fonte du couvert nival du volcan. Cette étude avait pour objectif de développer une procédure quantifiant l’ampleur que peuvent atteindre les lahars produits lors d’une éruption sous un couvert nival. La procédure envisagée utilisait le modèle thermodynamique multicouche Suisse SNOWPACK. Le modèle était alimenté par les données climatiques réanalysées NARR (North American Regional Reanalysis) et des données géophysiques extraites d’un modèle numérique de terrain. Le volcan étudié était le Mont Rainier, dans l’État de Washington aux États-Unis, car il présente un risque très élevé de lahars et une forte population réside en aval de ses bassins versants. Les sites de simulations étaient situés à la ligne des arbres (1970 m) et près du sommet (3900 m). Les simulations du modèle ont calculé les valeurs d’épaisseur et d’équivalent en eau du couvert nival. Ces valeurs, jumelées à la superficie de la toundra alpine, permettaient d’obtenir une estimation du volume d’eau disponible sur le volcan. Les résultats montraient qu’à la fin de l’hiver 2010-2011, ce volume représentait environ 0,1 km3 d’eau liquide. Une éruption affectant tout le couvert nival du volcan pouvait donc produire un volume de lahar total (eau et débris) entre 0,244 et 0,435 km3. Une fois ce volume réparti sur les trois différents bassins versants, les lahars possibles se comparaient à certains lahars historiques ayant eu lieu sur le même volcan. Une simple comparaison montrait que de tels lahars pouvaient atteindre certaines petites villes près du Mont Rainier. Cependant, les villes plus importantes et plus distales, telles que celles des basses-terres du Détroit de Puget, ne pouvaient être affectées que par les crues formées suite à la dilution des lahars. TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES ......................................................................................................... iv LISTE DES FIGURES .............................................................................................................. vi LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................................ vii REMERCIEMENTS ............................................................................................................... viii 1. CHAPITRE 1 — INTRODUCTION ................................................................................. 1 1.1 Problématique .............................................................................................................. 1 1.1.1 Les volcans ........................................................................................................... 1 1.1.2 Les lahars .............................................................................................................. 5 1.2 Objectifs et hypothèses ................................................................................................ 6 2. CHAPITRE 2 — CADRE THÉORIQUE .......................................................................... 8 2.1 Les volcans .................................................................................................................. 8 2.1.1 L’éruption et ses produits ................................................................................... 10 2.1.2 Risques associés aux volcans ............................................................................. 13 2.1.3 Dimensions du géorisque ................................................................................... 15 2.2 Les volcans de la côte Ouest américaine ................................................................... 17 2.2.1 L’arc des Cascades ............................................................................................. 18 2.2.2 Type de volcanisme et d’éruption ...................................................................... 18 2.2.3 Les grandes éruptions de l’Holocène ................................................................. 21 2.2.4 Géorisques possibles .......................................................................................... 22 2.3 Les lahars ................................................................................................................... 24 2.3.1 Description des lahars ........................................................................................ 24 2.3.2 Formation des lahars primaires .......................................................................... 27 2.4 Couvert nival alpin .................................................................................................... 32 2.4.1 Réservoir d’eau douce ........................................................................................ 32 2.4.2 Précipitations et processus d’accumulation ........................................................ 33 2.4.3 Les changements climatiques ............................................................................. 35 2.4.4 Les Cascades ...................................................................................................... 36 3. CHAPITRE 3 — DONNÉES ET MÉTHODES .............................................................. 37 3.1 Site d’étude ................................................................................................................ 37 3.1.1 Le Mont Rainier ................................................................................................. 39 iv 3.1.2 Climat et régime de précipitations ...................................................................... 41 3.1.3 Année à l’étude ................................................................................................... 43 3.2 Simulations SNOWPACK ......................................................................................... 43 3.2.1 Les données climatiques ..................................................................................... 44 3.2.2 Les données géophysiques ................................................................................. 45 3.2.3 Les données en sortie ......................................................................................... 47 3.2.4 Les sites de simulations ...................................................................................... 47 3.3 Calculs ....................................................................................................................... 48 3.3.1 Volume d’eau disponible .................................................................................... 48 3.3.2 Matériel transportable ......................................................................................... 50 4. CHAPITRE 4 — ANALYSE ET RÉSULTATS ............................................................. 52 4.1 La température de l’air ............................................................................................... 52 4.2 Paramètres de la couverture de neige avec le modèle ............................................... 53 4.2.1 Équivalent en eau ............................................................................................... 54 4.2.2 Paramètres de la couverture de neige avec la station météo .............................. 56 4.3 Impact d’une éruption volcanique ............................................................................. 57 4.3.1 Volume d’un lahar .............................................................................................. 57 5. CHAPITRE 5 — DISCUSSION ...................................................................................... 59 5.1 Retour sur les résultats ............................................................................................... 59 5.2 Procédure et méthode ................................................................................................ 60 5.2.1 Procédure ............................................................................................................ 60 5.2.2 Méthode .............................................................................................................. 62 5.2.3 Données .............................................................................................................. 65 5.3 Perturbation du couvert nival ..................................................................................... 66 5.3.1 Type d’éruption et conséquence ......................................................................... 66 5.3.2 Nature du matériel solide ................................................................................... 67 5.3.3 Comparaison de l’ampleur des lahars possibles ................................................. 68 6. CHAPITRE 6 — CONCLUSION .................................................................................... 71 7. RÉFÉRENCES ................................................................................................................. 75 v LISTE DES FIGURES Fig. 1. Coupe schématique de la lithosphère terrestre 8 Fig. 2. Morphologie des cinq différents types de volcans principaux 9 Fig. 3. Les principaux volcans et complexes volcaniques de l’arc des Cascades 20 Fig. 4. Positions du Mont Rainier et des villes du Détroit de Puget 38 Fig. 5. Cartes des précipitations et des températures annuelles moyennes des 42 états de l’Idaho, de l’Oregon et de Washington Fig. 6. Courbes spectrales de roches volcaniques 45 Fig. 7. Cartes montrant les paramètres d’inclinaison et d’aspect de la pente du 46 Mont Rainier Fig. 8. Carte de localisation des deux sites utilisés pour les simulations 48 SNOWPACK sur le Mont Rainier Fig. 9. Carte présentant les différents niveaux de 250 m utilisés pour estimer le 50 couvert de neige Fig. 10. Valeurs des températures de l’air provenant des données NARR utilisées 52 dans SNOWPACK Fig. 11. Comparaison des températures de l’air entre les données climatiques 53 NARR et les mesures de la station météorologique Paradise Fig. 12. Évolution de l’épaisseur du couvert de neige lors de l’hiver 2010-2011 54 pour les deux sites Fig. 13. Évolution de l’équivalent en eau de la neige lors de l’hiver 2010-2011 55 Fig. 14. Épaisseur et équivalent en eau du couvert neigeux mesuré par la station 56 Paradise Fig. 15. Limites et noms des bassins versants présents sur le Mont Rainier 58 Fig. 16. Distances que peuvent couvrir des coulées pyroclastiques 66 vi LISTE DES TABLEAUX Tableau 1. Composition des gaz à l’orifice volcanique, tirée de Textor et al. (2003) 12 Tableau 2. Exemples de constructions de dôme(s) de volcans dans l’arc des 20 Cascades depuis le Pléistocène Tableau 3. Principaux effondrements d’édifice volcanique pendant l’Holocène 21 Tableau 4. Caractéristiques de quelques lahars ou groupe de lahars connus 26 Tableau 5. Caractéristiques des deux sites utilisés pour les simulations 48 SNOWPACK Tableau 6. Les équations linéaires (y = mx + b) de l’EEN et du contenu en eau 55 liquide Tableau 7. Masse et volume d’eau pour chaque niveau d’altitude 55 Tableau 8. Paramètres des lahars possibles pour les trois bassins versants du Mont 68 Rainier vii REMERCIEMENTS En terminant la rédaction de cet essai, mes premiers remerciements vont à mon directeur M. Alexandre Langlois, pour son enthousiasme à entreprendre ce projet, ses conseils et son support tout au long de ma rédaction. Je tiens aussi à remercier M. Alexandre Roy, pour ses corrections vis-à-vis mon travail. Sans eux, cette maîtrise n’aurait pu voir le jour. Je désire également exprimer ma gratitude à M. Charles Sarthou, mon superviseur de stage chez Hydro-Québec, qui m’a permis de découvrir une nouvelle atmosphère de travail et m’inspirer dans ma carrière. Il fut un mentor de premier ordre. Je désire exprimer ma reconnaissance à Virginie Bouchard et Samuel Lafrance pour leur générosité et leur accueil au début de ma maîtrise, ainsi que d’avoir été présents à chaque fois que j’ai eu besoin d’eux. De plus, je veux remercier ceux qui ont partagé chaque moment de ces études, Nicolas (l’autre membre de l’équipe des années ’80), David, Julie, Laura, Marc-Antoine, Xiomara, mais aussi tous ceux qui m’ont accueilli à Liège, lors de mon échange en Belgique, Étienne, Fabian, Florian, Joan, Julie, Laura, Henri, Antoine, Ben, Jordan, Manon et Benjamin ; Suzie et Mathieu qui m’ont aussi accueilli sous leur toit à Montréal pendant mon stage ; et l’ancienne garde de Chicoutimi qui est toujours présente, Nicolas, Shawn, Yoan, David et Josiane, ainsi que les géologues, Lucas, Charley, Jordi, Matthias, Éric et Mikaël. Je désire exprimer également toute ma gratitude envers ma famille pour leur amour et leur support toujours apprécié, éléments essentiels à la réalisation de ce projet. Un hommage tout spécial à ma compagne Karine qui m’a soutenu de mille façons dans ce projet de retour aux études. « Tu as su m’éclairer et sans toi, je n’aurais pu me réaliser pleinement. Merci pour ta présence de tous les instants, ta patience, ta compréhension et tes judicieux conseils ! » À vous tous, qui avez été là de près ou de loin, un grand Merci ! viii 1. CHAPITRE 1 — INTRODUCTION 1.1 Problématique Les zones volcaniquement actives sont fréquemment affectées par une multitude de géorisques. Un de ces risques volcaniques très particuliers est le lahar. Il s’agit d’une ou de plusieurs coulées transportant des débris essentiellement rocheux et saturée(s) en eau (Vallance, 2000). Cette grande quantité d’eau peut provenir de la fonte du couvert nival du volcan, de son système hydrothermal interne ou de fortes pluies. 1.1.1 Les volcans Les volcans sont des phénomènes géologiques qui montrent que la Terre est dynamique. Ce sont des ouvertures dans la croûte terrestre (partie supérieure de la lithosphère) vers les profondeurs de la Terre, où la roche n’est plus solide sous l’effet de la température et de la pression. Selon le dictionnaire de géologie (Foucault et Raoult, 2005), le nom volcan provient du latin Vulcanus, le dieu du feu, et sa définition est : « un relief, généralement de forme conique, pouvant atteindre plusieurs kilomètres de haut, constitué par l’empilement de projections et/ou des laves ayant atteint la surface de l’écorce terrestre, soit à l’air libre, soit sous l’eau. » Les volcans sont (ou ont été) présents un peu partout sur la Terre, au moins depuis l’Archéen, et ce même au Québec (Pearson et Daigneault, 2009; Castillo-Guimond, 2012; Mueller et al. 2012). Leurs éruptions sont relativement fréquentes et toujours impressionnantes. Un mécanisme classique pour expliquer le déclenchement d’une éruption est la libération de la pression créée lorsqu’il y a une remontée de magma, par différence de densité, dans la chambre magmatique sous-jacente (Schmincke, 2005). Une éruption peut éjecter une combinaison de matériel gazeux, liquide et solide. 1 Éruptions majeures et catastrophes humaines Plusieurs éruptions ont marqué l’histoire de l’homme sur la Terre. Elles ont toutes eu un impact du point de vue humain, économique ou climatique. La plupart sont importantes mais certaines sont plus modestes. Au XXIe siècle, l’éruption la plus coûteuse a été celle du volcan Eyjafjallajökull en Islande (2010) qui a paralysé le trafic aérien au-dessus de l’Atlantique Nord. Elle a entraîné une perte financière de 3,3 milliards d’euros pour les neuf compagnies aériennes les plus touchées (Mazzocchi et al. 2010). Par contre, la plus mortelle a été celle du Merapi en Indonésie la même année, qui a fait 380 morts (Charbonnier et al. 2013) et la plus volumineuse a été celle du Puyehue-Cordón Caulle au Chili (2011), avec 0,4 km3 d’éjecta (Global Volcanism Program, 2013). Pendant le XXe siècle, plusieurs éruptions mémorables ont eu lieu. Celle du Pinatubo aux Philippines (1991) est la plus volumineuse et a eu un fort impact climatique. Elle a éjecté 17 Tg de SO dans la stratosphère (Timmreck et al. 2010) et a réduit la moyenne des températures 2 terrestres de 0,1 à 0,2 °C pendant deux ans (Robrock et Mao, 1995). Cette éruption et ses produits ont aussi pris la vie de 847 personnes (Global Volcanism Program, 2013). Cependant, les plus mortelles ont été celles du Mont Pelée, en Martinique (1902), environ 30 000 morts (Rosen, 2015) et du Nevado del Ruiz en Colombie (1985), environ 23 000 morts (Pierson et al. 1990). Ces éruptions sont les troisième et quatrième plus mortelles répertoriées. Selon Breene (2016), l’éruption du Nevado del Ruiz est aussi la plus coûteuse de l’histoire, entraînant des dommages directs d’environ un milliard de dollars américains. Les deux éruptions les plus mortelles ont eu lieu au XVIIIe siècle en Indonésie. En 1883, celle du Krakatau a tué plus de 36 000 personnes (Bagley, 2013) et en 1815, celle du Tambora a fait plus de 71 000 victimes (Oppenheimer, 2003). Ces morts sont directement liés à l’éruption. Toutefois, en affectant le climat global, d’autres éruptions ont indirectement tué plus de gens dans l’histoire. L’éruption de huit mois du Lakagígar (1783) en Islande relâcha 122 Tg de SO 2 (Thordarson et Self, 2003). Elle a tué 9350 personnes en Islande (Bressan, 2013), mais le refroidissement qu’elle a engendré aurait tué plus de six millions de personnes dans le monde. 2