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PETROGRAPHIE ET GEOCHIMIE DES LAVES DU VOLCAN NYIRAGONGO (Nord
Kivu, R. D. Congo) : INFLUENCE DE LA VISCOSITE SUR LES PARAMETRES DE
PROPAGATION DES COULEES DE LAVES MENACANT LA VILLE DE GOMA
Auteur : Kamate Kaleghetso, Ephrem
Promoteur(s) : 5865; Vander Auwera, Jacqueline
Faculté : Faculté des Sciences
Diplôme : Master de spécialisation en gestion des risques et des catastrophes
Année académique : 2017-2018
URI/URL : http://hdl.handle.net/2268.2/5534
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mentionnées ci-dessus. Toute utilisation non explicitement autorisée ci-avant (telle que par exemple, la modification du
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Faculté des Sciences
Département des Sciences et Gestion de l’Environnement
Année académique 2017-2018
PETROGRAPHIE ET GEOCHIMIE DES LAVES DU VOLCAN
NYIRAGONGO (Nord Kivu, R. D. Congo) : INFLUENCE DE LA
VISCOSITE SUR LES PARAMETRES DE PROPAGATION DES
COULEES DE LAVES MENACANT LA VILLE DE GOMA
Mémoire présenté par KAMATE KALEGHETSO Ephrem
en vue de l’obtention du diplôme de Master de spécialisation en gestion des risques et des
catastrophes
Rédigé sous la direction du Dr Benoît SMETS, Professeur Jacqueline VANDER AUWERA,
Professeur Olivier NAMUR et Professeur Aurélia HUBERT-FERRARI
Copyright
Toute reproduction du présent document, par quelque procédé que ce
soit, ne peut être réalisée qu'avec l'autorisation de l'auteur et de l'autorité
académique* de l’Université de Liège. »
*L'autorité académique est représentée par le(s) promoteur(s) membre(s)
du personnel enseignant de l’ULiège.
Le présent document n'engage que son auteur.
Auteur du présent document : KAMATE KALEGHETSO Ephrem,
I
REMERCIEMENTS
Ce travail est une œuvre de la conjugaison des plusieurs efforts de la part de l’équipe de mes
Promoteurs, en l’occurrence le Docteur Benoît Smets, les Professeurs Jacqueline Vander
Auwera, Olivier Namur et Aurélia Hubert-Ferrari. C’est grâce à leurs conseils et
encouragements que j’ai pu atteindre les résultats présentés dans ce mémoire. Je leur dis grand
merci ;
Je tiens à exprimer ma reconnaissance profonde au personnel du laboratoire de Géologie,
Pétrologie, Géochimie de l’Université de Liège et celui du Service Risques Naturels du Musée
Royal de l’Afrique Centrale de Tervuren, pour l’accueil qu’ils m’ont respectivement réservé et
pour avoir mis à ma disposition tous les moyens afin d’achever ce travail dans les meilleures
conditions ;
A travers le Professeur Pierre OZER, Coordinateur du Programme de Master de Spécialisation
en Gestion des Risques et Catastrophes de l’Université de Liège, je remercie tous les
enseignants qui sont intervenus durant toute la période de ma formation ;
Que le Dr Kayla Iacovino de Arizona State University aux Etats-Unis trouve ici l’expression
de ma gratitude pour les conseils me prodigués au commencement de ce travail et qui ont éclairé
la suite ;
Mes remerciements s’adressent également au personnel de l’Observatoire Volcanologique de
Goma, particulièrement au Comité de Gestion pour la collaboration harmonieuse et les
encouragements dont j’ai bénéficié ;
Je remercie les membres de ma famille et les amis qui n’ont cessé de me soutenir. Je pense
particulièrement à Mr Jonny-O Kambale Kaleghetso, Mme Rachel Kavira Muhingi et Mr Jean-
Paul Vitsughe.
Il serait ingrat de finir cette partie sans remercier le Gouvernement du Royaume de Belgique
qui a financé l’intégralité de ma formation à travers l’Académie de Recherche et
d’Enseignement Supérieur (ARES).
II
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS ..................................................................................................................................... I
TABLE DES MATIERES .............................................................................................................................. II
LISTE DES FIGURES .................................................................................................................................. IV
SIGLES ET ABREVIATIONS ........................................................................................................................ V
RESUME .................................................................................................................................................. VI
ABSTRACT .............................................................................................................................................. VII
I. INTRODUCTION .................................................................................................................................... 1
I.1. Généralités sur la région d’étude ............................................................................................... 1
a. Le rift est-africain ...................................................................................................................... 1
b. La province volcanique des Virunga ....................................................................................... 2
I.2. Le volcan Nyiragongo ................................................................................................................. 4
I.3. Les aléas volcaniques du Nyiragongo ........................................................................................ 5
............................................................................................................................................................. 7
I.4. Contexte et Problématique ......................................................................................................... 7
I.5. Délimitation et objectifs de ce travail ........................................................................................ 9
I.6. Matériels et méthodologie utilisés............................................................................................ 10
I.6.1. Matériels et démarche méthodologique ........................................................................... 10
I.6.2. Utilisation des résultats...................................................................................................... 13
I.6.3. Apport des résultats de ce travail dans la politique de réduction des risques
volcaniques à Goma ..................................................................................................................... 14
II. DESCRIPTION MICROSCOPIQUE DES ECHANTILLONS ....................................................................... 15
II.1. Description minéralogique des laves de 2016-présent, 2002 et 1977 ................................... 15
II.2. Analyse pétrographique quantitative des échantillons ........................................................ 16
III. GEOCHIMIE DES LAVES DU VOLCAN NYIRAGONGO DE 2016, 2002 ET 1977 ................................... 17
III.1. Les éléments majeurs............................................................................................................. 17
III.2. Les éléments en traces ........................................................................................................... 25
IV. RHEOLOGIE DES LAVES ETUDIEES .................................................................................................... 29
IV.1. Viscosité .................................................................................................................................. 29
IV.1.1. Viscosité des laves du volcan Nyiragongo de 2016-présent, 2002 et 1977 .................. 29
IV.1.2. Changement de viscosité dû aux solides en suspension (cristaux) .............................. 34
IV.2. Densité des laves du volcan Nyiragongo de 2016-présent, 2002 et 1977 ............................ 35
IV.3. Vitesse d’écoulement et taux d’effusion des laves de 2002 ................................................. 37
IV.3.1. La vitesse d’écoulement des laves de Munigi et Bitungulu en 2002 ............................ 38
IV.3.2. Le taux d’effusion des laves de Munigi et Bitungulu en 2002 ..................................... 41
III
V. INFLUENCE DE LA VISCOSITE, DU TAUX D’EFFUSION ET DE LA DENSITE SUR LA PROPAGATION DES
COULEES DE LAVES DU VOLCAN NYIRAGONGO .................................................................................... 42
V.1. Paramètres d’entrée de Q-LAVHA encodés dans ce travail ............................................... 42
V.2. Choix de la simulation de la propagation de la coulée de laves étudiée .............................. 44
V.3. Analyse de la sensibilité des paramètres d’entrée de Q-LAVHA ........................................ 45
V.3.1. Analyse de la sensibilité de l’épaisseur des coulées (Hc) et du facteur de correction
(Hp) ................................................................................................................................................ 45
V.3.2. Analyse de la sensibilité de la longueur maximum de la coulée ................................... 46
V. 3.3. Analyse de la sensibilité des paramètres avancés de FLOWGO ................................. 46
V.3.4. Analyse de la sensibilité du nombre d’itérations ........................................................... 47
V.4. Analyse de l’influence de la viscosité, du taux d’effusion et de la densité sur la superficie
et la longueur des coulées de l’évent éruptif de Munigi ............................................................... 48
VI. DISCUSSION ET INTERPRETATION DES RESULTATS .......................................................................... 51
VII. CONCLUSION GENERALE ................................................................................................................. 53
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ......................................................................................................... 56
ANNEXES ................................................................................................................................................ 61
IV
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Zonation sismique de la branche occidentale du rift Est-Africain, Source : Delvaux et al., 2017 .............................. 1
Figure 2 : Province volcanique des Virunga, Source : (A) : Chorowicz, 2005 et (B) : NASA ................................................... 3
Figure 3 : Localisation de la zone d’étude et points d’échantillonnage dans les coulées de laves .............................................. 6
Figure 4 : Dimensions ville de Goma le 11 Décembre 2001 (en couleur grise). Source : USGS ............................................... 7
Figure 5 : Dimensions ville de Goma le 10 Juin 2002 (Gris : la ville, Rouge : coulées 2002). Source : USGS ......................... 7
Figure 6 : Evolution de la population de la ville de Goma, source : Service Etat civil Goma .................................................... 7
Figure 7 : Eruption à l’intérieur du cratère du volcan Nyiragongo en 2016 ............................................................................... 9
Figure 8 : Morphologie du cratère du volcan Nyiragongo en 2016. P1 : Plateforme 1, P2 : Plateforme 2, P3 : Plateforme 3 . 10
Figure 9 : Dispositif de comptage des points. A : Microscope, B : Compteur de phase ; C : Ordinateur ................................. 11
Figure 10 : Dispositif de concassage et broyage ....................................................................................................................... 12
Figure 11 : Equipement de Préparation des perles.................................................................................................................... 12
Figure 12 : Equipements de fabrication des pastilles ................................................................................................................ 13
Figure 13 : Classification des roches magmatiques selon LeBas et al., (1986) ........................................................................ 20
Figure 14 : Illustration de l’alcalinité par le diagramme triangulaire ....................................................................................... 20
Figure 15 : Diagramme de COX, 1979 ..................................................................................................................................... 21
Figure 16 : Corrélations dans les laves de 2016 à nos jours ..................................................................................................... 22
Figure 17 : Corrélations dans les laves de 2002 ....................................................................................................................... 23
Figure 18 : Corrélations dans les laves de 1977 ....................................................................................................................... 24
Figure 19 : Corrélations entre éléments en traces ..................................................................................................................... 25
Figure 20 : variation de la viscosité de l’échantillon NY17-012 tous les 10°C de diminution de température ......................... 31
Figure 21 : Relation viscosité – silice – température des laves de 2016 ................................................................................... 32
Figure 22 : variation de la viscosité de l’échantillon NY17-189 tous les 10°C de diminution de température ......................... 32
Figure 23 : Relation viscosité – silice – température des laves de 2002 ................................................................................... 33
Figure 24 : Variation de la viscosité des laves de 1977 en fonction de la température (allant de 1200°C à 1000°C) ............... 34
Figure 25 : Pentes du champ du volcan Nyiragongo ................................................................................................................ 38
Figure 26 : Aperçu de l’influence de la viscosité (Logη) sur la vitesse d’écoulement des laves du Nyiragongo ..................... 40
Figure 27 : Paramètres d’entrée encodés dans le cadre de ce travail et sortie de Q-LAVHA. Les paramètres par défaut sont
donnés dans le tableau 16 (en annexe) ..................................................................................................................................... 44
Figure 28 : Analyse de la sensibilité des paramètres Hc et Hp .................................................................................................. 45
Figure 29 : Analyse de la sensibilité de la longueur maximum ................................................................................................ 46
Figure 30 : Analyse de la sensibilité de la densité de laves ...................................................................................................... 47
Figure 31 : Analyse de la sensibilité du nombre d’itérations .................................................................................................... 47
Figure 32 : Influence de la viscosité sur la superficie de la coulée de laves de Munigi ............................................................ 48
Figure 33 : Influence de la viscosité sur la longueur de la coulée de laves de Munigi ............................................................. 49
Figure 34 : Influence du taux d’effusion sur la superficie de la coulée de Munigi ................................................................... 49
Figure 35 : Influence du taux d’effusion sur la longueur de coulée de laves de Munigi ........................................................... 50
Figure 36 : Influence de la densité des laves sur la superficie de la coulée de laves de Munigi ............................................... 50
Figure 37 : Influence de la densité sur la longueur de la coulée de laves de Munigi ................................................................ 50
V
SIGLES ET ABREVIATIONS
- R.D.Congo : République Démocratique du Congo ;
- NASA : National Aeronautics and Space Administration ;
- XRF : fluorescence des rayons X ;
- NY : Nyiragongo ;
- Q-LavHA : Quantum Lava Hazard Assessment ;
- SIG : Système d’Information Géographique ;
- OVG : Observatoire Volcanologique de Goma ;
- SRTM : Shuttle Radar Topography Mission ;
- MRAC : Musée Royal de l’Afrique Centrale ;
- VORIS : Volcanic Risk Information System ;
- UNESCO : Organisation des Nations Unies pour l’Education, la Science et
la Culture ;
- ppm : partie Par Million
VI
RESUME
Dans ce travail, nous étudions une collection d’échantillons de laves provenant des éruptions
aux flancs du volcan Nyiragongo de 1977 et 2002 et de l’activité à l’intérieur du cratère de
2016. La première partie de ce travail consiste en une analyse pétrographique et géochimique
(éléments majeurs et éléments en traces) de ces échantillons. Dans la deuxième partie, les
données géochimiques sont utilisées pour calculer la viscosité sèche de ces laves en utilisant le
modèle prédictif de Giordano et al., (2008). La viscosité est nécessaire comme paramètre
influençant le taux d’effusion et la vitesse d’écoulement des laves. Nous avons calculé ces deux
derniers paramètres pour les coulées de Munigi et Bitungulu de 2002 en utilisant le modèle de
Tallarico et al., (2006). Dans la troisième et dernière partie, nous évaluons l’influence de la
viscosité, du taux d’effusion et de la densité sur la superficie et la longueur des coulées de laves
de l’évent éruptif de Munigi en 2002 en utilisant le logiciel Q-LAVHA (Mossoux et al., 2016).
Les résultats de l’analyse pétrologique suggèrent que les échantillons que nous avons collectés
sont des foïdites, comme annoncé par les études antérieures des laves du volcan Nyiragongo.
Le logarithme de la viscosité, pour des températures de laves de 1200°C à 1000°C, est en
moyenne de 2,5 Pas pour les laves de 2002 et 2016. Par contre, dans les mêmes conditions, le
logarithme de viscosité des laves de 1977 est en moyenne de 7,5 Pas. Ainsi, la viscosité des
laves du volcan Nyiragongo évolue de façon décroissante dans le temps. Les vitesses moyennes
d’écoulement de laves de Munigi et de Bitungulu sont respectivement 6 m/s et 5 m/s. Les taux
d’effusion respectifs moyens sont 1758 m3/s et 1329 m3/s. Il en découle que dans des conditions
similaires à celles de 2002, les laves venant de l’évent de Munigi atteindraient les limites
administratives actuelles de la ville de Goma en 7 minutes du début de l’éruption. Par contre,
les coulées de laves de l’évent de Bitungulu feraient 25 minutes.
Par ailleurs, l’analyse de l’influence de la viscosité sur la propagation des coulées de Munigi
suggèrent qu’une moyenne globale de 2 Pas de diminution du logarithme de la viscosité entraîne
une augmentation de 1 km2 de superficie et 0,7 km de longueur de la coulée. Une augmentation
globale du taux d’effusion de laves de 2400 m3/s augmente de 3 km2 et 1,6 km la superficie et
la longueur de la coulée. Enfin, 450 kg/m3 d’augmentation de la densité des laves entraîne
respectivement 0,6 km2 et 0,5 km d’augmentation de la superficie et de la longueur de la coulée.
VII
ABSTRACT
In this work, we are studying samples from lava collected following successive eruptions on
the side of the Nyiragongo volcano, between 1977 and 2002, as well at the inside of the crater
in 2016. First part of the work concerns the petrographic and geochemical (major and traces
elements) analysis of these samples. In a second part, geochemical data are used to calculate
the viscosity of these lavas, using the predictive model of Giordano et al., (2008). Viscosity is
an important parameter influencing the effusion rate and lava flow speed. We have calculated
these two last parameters for the 2002 lava flows of Munigi and Bitungulu, using Tallarico et
al. (2006) model. Within the third and last part we evaluate the influence of viscosity, effusion
rate and density on superficies and length of Munigi lava flow using Q-LAVHA software
(Mossoux et al., 2016).
Petrology analysis results points to foidites samples as previously mentioned in previous studies
of the same volcano. The logarithmic value of viscosity, for lava’s temperatures around 1000
°C to 1200°C is around 2.5 Pa.s for lavas collected from 2002 to 2016 eruptions, while it is 7.5
Pa.s in average for the lavas from 1977’s eruption. So the viscosity from Nyiragongo’s lava
seams to decrease with time. The average lava flow speed of Munigi and Bitungulu are
respectively 6 m/s et 5 m/s. Corresponding effusion rates are 1758 m3/s and 1329 m3/s. So in
similar conditions as in 2002, lavas from the Munigi eruptive vent would reach the
administrative boundaries of Goma in only 7 minutes after the beginning of the eruption. For
the conditions of Bitungulu’s eruption, it would take 25 minutes.
The analysis of the influence of viscosity over the Munigi lava flow spread suggests that a
global decreasing of 2 Pas of the logarithmic value of viscosity would lead to an increase of 1
km² superficies and 0.7 km length of the lava flow. A global increase of the effusion rate to
2400 m3/s increases to 3 km2 and 1.6 km superficies and length of the lava flow. 450 kg/m3
increase of the density of the lava leads to respectively 0.6 km2 and 0.5 km increase in
superficies and length of the lava flow.
1
I. INTRODUCTION
I.1. Généralités sur la région d’étude
a. Le rift est-africain
Le système du rift est-africain parcourt les plateaux éthiopiens et est-africains et forme une
structure longue de 6 000 kilomètres, développée à la suite de l'activité du panache mantellique
qui a commencé sous l'Afrique de l'Est (Roberts, 2012). Le volcanisme à l’est est plus étendu
et est distribué tout au long de la branche orientale, tandis que le volcanisme dans la branche
occidentale est confiné dans des zones de transfert.
Si le volcanisme de la branche orientale est plus répandu et important en terme de dépôts
volcaniques, la branche ouest, au niveau des Virunga, reste néanmoins très active, avec 2 des
volcans les plus actifs d’Afrique (Hamaguchi, 1983; Mishina, 1983 ; Mishina et al., 1983 ).
La branche occidentale s’étend sur 2100 kilomètres, depuis le lac Albert au Nord jusqu’au lac
Malawi au Sud. Elle est bordée par des systèmes de failles normales à angle élevé limitant d’un
côté des bassins en forme de cuiller et composée de plusieurs différents segments : Le segment
Nord de la branche occidentale du rift est-africain comprend le lac Albert et est associé aux
bassins du lac Edouard et du lac Kivu, avec une tendance directionnelle NNE à NS, le segment
Figure 1 : Zonation sismique de la branche occidentale du rift Est-Africain, Source : Delvaux et al., 2017
2
central de direction NW-SE est associé aux bassins des lacs Tanganyika et Rukwa, le segment
Sud principalement associé au lac Malawi et à des petits bassins plus au Sud (Fig.2 A)
(Chorowicz, 2005). Les estimations de profondeur de la croûte de 20 à 30 km, la géométrie de
renversement des bassins asymétriques et la sismicité dans toute la gamme de profondeur de 0
à 30 km suggèrent que les failles de bordure planes pénètrent dans la croûte (Ebinger, 1989).
Ces deux dernières décennies la plupart de séismes dans la branche occidentale ont été localisés
à l’Ouest de la chaine volcanique des Virunga et dans le bassin du lac Kivu (Fig.1) (Delvaux et
al., 2016).
b. La province volcanique des Virunga
La province volcanique de Virunga se situe dans une vaste région de soulèvement et de
déformation extensionnelle associée à une asthénosphère anormalement chaude au Nord du lac
Kivu (Fig. 2 B). Le rifting se localise au niveau des ceintures orogéniques le long des marges
du Craton Archéen, et l’extension de la croûte se propage vers le sud, loin des zones touchées
par le rifting au Mésozoïque. Les données géochimiques, géophysiques et structurales indiquent
toutes qu’une extension relativement faible et une fusion partielle de la lithosphère ont eu lieu
dans la région (Ebinger, 2002).
Dans la partie Nord de la branche occidentale du rift est-africain, les laves potassiques sous-
saturées en silice et des tuffs carbonatitiques caractérisent le champ volcanique de Toro-Ankole
dans le Sud-Ouest de l’Ouganda. Ces laves contiennent des teneurs en silice variant entre 31,8
% et 42,8 %, des teneurs élevées en CaO et K2O supérieures à 16,6 % et 7 % respectivement
(Rosenthal, 2009).
Outre les six principaux volcans dormants (Muhavura, Gahinga, Sabinyo, Visoke, Karisimbi et
Mikeno), la province volcanique des Virunga abrite aussi deux volcans qui demeurent parmi
les plus actifs d’Afrique : Le Nyiragongo et le Nyamulagira (Fig.2 B) ; ce qui fait de cette région
la cible d’une combinaison de plusieurs types d’aléas volcaniques et environnementaux.
Les données géochronologiques des laves du centre et de l’Est de la province volcanique des
Virunga indiquent que les dernières éruptions datent de la fin du Pléistocène. En effet, des
échantillons de coulées du volcan Mikeno ont été datés à 0,2 ± 0,1 Ma par Guibert et al., (1975).
Les travaux de Bagdasaryan et al., (1973) et Rogers et al., (1998) renseignent pour le volcan
Sabinyo des tranches d’âge de 65 ± 25 et 176 ± 30 ka. Les coulées du Karisimbi quant à elles,
datent de 0,010 ± 0,007 Ma selon les travaux de De Mulder et Pasteels, (1986), alors que Rogers
3
et al., (1998) renseignent pour les coulées à leucite du volcan Muhavura des âges de 33 ± 9 ka
et 52 ± 19 ka (Barette et al., 2016).
Les laves de la province volcanique des Virunga sont géographiquement variées. Le volcan
Nyamulagira se caractérise par des basaltes à olivine contenant généralement 0 à 12 % de
phénocristaux et ayant des teneurs en silice pouvant être supérieures à 40 %. Par contre, les
laves du volcan Nyiragongo, situé à environ 12 Km du Nyamulagira sont réputées très alcalines
et sous-saturées en silice. Elles sont caractérisées par la melilite, la népheline et la leucite
Figure 2 : Province volcanique des Virunga, Source : (A) : Chorowicz, 2005 et (B) : NASA
Muhavura
Gahinga
Sabinyo
Visoke Mikeno
Karisimbi Nyiragongo
Nyamulagira
A
B
Lac Kivu
4
(Demant, 1994). Les champs des volcans Mikeno et Visoke affichent des tephrites, basanites,
phonotéphrites et foïdites ; alors que le Karisimbi montre une tendance à la différenciation (De
Mulder, 1985 ; De Mulder et al., 1986 cité par Barette et la 2016). Une tendance à la
différenciation similaire est observée dans les laves du volcan Gahinga, donnant ainsi des
trachybasaltes et rarement des trachyandésites. Le volcan Sabinyo présente également une
différenciation allant des trachybasaltes aux trachydacites, alors que les laves du volcan
Muhavura varient entre tephrites basanites, basaltes, trachybasaltes à trachyandésites (Barette
et al., 2016).
La composition en éléments majeurs et traces, et les données isotopiques du Sr et du Nd
mesurées dans une série de laves mafiques de la province volcanique du Kivu (Sud de la
branche ouest du Rift est-africain) suggèrent que la source située dans le manteau lithosphérique
continental sous-jacent est hétérogène à petite échelle (< 1 km). Les rapports isotopiques et les
éléments en traces dans ces laves mafiques varient systématiquement en fonction de la
localisation géographique (Furman, 1999).
I.2. Le volcan Nyiragongo
Le volcan Nyiragongo est bien connu pour son dynamisme éruptif de type Hawaïen (Sadaka et
al., 2003) et son lac de lave persistant, qui est le plus large sur Terre (Smets et al., 2017). Son
sommet culmine à 3470 mètres d’altitude, avec un diamètre de 1,3 kilomètre. En 1977 et 2002,
le volcan Nyiragongo est entré en éruption, avec des coulées de laves sortant de fissures
localisées principalement sur son flanc sud. Jusqu’à l’éruption du 10 Janvier 1977, un lac de
lave était persistant dans le cratère du volcan Nyiragongo (probablement) depuis 1928 (Tazieff,
1977 ; Hamaguchi et al., 1992). Après une trêve d’environ quatre ans un autre lac de lave
réapparut brièvement de 1982 à 1983 (Tazieff, 1984). Douze ans après, une activité intense
reprend à l’intérieur du cratère du volcan Nyiragongo le 23 Juin 1994 ; le lac de lave se reforme
(Smithsonian Institution, 1995 cité par Tedesco, 2003). Mais très rapidement, la surface de ce
lac se figea, laissant ainsi la lave liquide sous une croûte solide (Tedesco, 2003). En
conséquence, l’augmentation de la pression magmatique sous la croûte solide figée a facilité la
migration de la lave dans les fractures principales du flanc Sud de l’édifice volcanique. Outre
cette pression magmatique, la séismicité tectonique fréquente dans la région a pu être un facteur
supplémentaire du déclenchement de l’éruption du 17 Janvier 2002. En effet, en 2002, la
réactivation des anciennes fractures ouvertes en 1977 couplée à l’ouverture des nouvelles autres
a permis la propagation rapide des laves sur la ville de Goma à partir de trois principaux évents
5
éruptifs créés au flanc Sud du volcan Nyiragongo (Fig. 3), notamment au Shaheru (le plus au
nord), à Munigi (le plus au sud) et à Bitungulu (du côté sud-ouest du Shaheru). Par ailleurs, les
travaux de Wauthier et al., (2012) suggèrent que le scénario le plus probable pour l’éruption de
2002 est que l’approvisionnement en magma dans le réservoir plus profond a commencé dix
mois avant l’éruption, comme signalé par les séismes de longue période. L’analyse des
contraintes indique un système de deux dykes situés à des profondeurs différentes. Le dyke
profond aurait permis l’injection du magma du lac et du réservoir peu profond dans le dyke
éruptif. D’où l’ouverture de ce dyke peu profond auquel se transmettait étroitement le magma.
D’autres hypothèses suggèrent que l’énergie ayant concouru à la fracturation massive en 2002
était supplée par des évènements tectoniques régionaux (Colclough, 2005).
I.3. Les aléas volcaniques du Nyiragongo
Le volcan Nyiragongo est la principale menace naturelle de la ville de Goma mis à part les
fortes concentrations en gaz qui sont dissoutes dans l’eau du lac Kivu et qui pourraient conduire
à une éruption limnique et faire de nombreux décès par asphyxie ainsi que les aléas
environnementaux. Le flanc Sud du volcan Nyiragongo est un versant de triste mémoire pour
les habitants de Goma à cause des deux coulées de laves historiques qui se sont déversées vers
la ville. L’éruption de ce volcan le 17 Janvier 2002 constitue le cas le plus récent et le plus
remarquable d’une coulée de lave dans la ville de Goma. Il représente également l'un des très
rares cas de victimes directes de coulées de lave, en raison des vitesses d’écoulement élevées,
allant jusqu'à des dizaines de kilomètres par heure (Favalli et al., 2009). Deux principales
cheminées de coulées de laves se sont alors répandues sur Goma, une ville jadis de près de
400.000 habitants (service d’état civil, ville de Goma) et de près de 25 km2 de superficie (USGS,
2002).
Les deux principales coulées de laves de 2002 qui ont atteint la ville en ont détruit près de 2,66
Km2, soit près de 10,5 % de la superficie totale. Nous avons calculé ces valeurs à partir des
images Landsat (USGS) de 2001 et 2002 classifiées (Fig.4 et 5).
Ces dix dernières années, la vulnérabilité de Goma face aux coulées de laves du volcan
Nyiragongo a considérablement augmenté suite à la croissance spectaculaire de la ville qui s’est
rapprochée de près de 3 km du volcan. En effet, entre 2002 et Décembre 2016, la superficie et
la démographie de la ville de Goma ont triplés et sont passées respectivement de 25 km2 (Fig.
4 et 5) à plus de 75 km2 (Fig. 3) et 400.000 à 900.000 habitants (Fig. 6).
6
Néanmoins, l’aléa coulée de lave est principalement fonction des propriétés rhéologiques des
laves émises (viscosité), de la vitesse d’écoulement, du taux d’effusion et de la topographie du
terrain qui contrôlent la propagation des coulées. Une bonne connaissance de ces paramètres
et leur interdépendance reste une clé importante pour mieux comprendre le dynamisme éruptif
du volcan Nyiragongo et atténuer les risques liés aux coulées de laves sur ses flancs.
L’ensemble de ces paramètres constituent le cœur principal de ce Travail de Fin d’Etudes de
Master de Spécialisation en Gestion des Risques et Catastrophes à l’Université de Liège.
Figure 3 : Localisation de la zone d’étude et points d’échantillonnage dans les coulées de laves
Muhavura
Gahinga
Sabinyo
Visoke
Karisimbi
Mikeno
Nyiragongo
Nyamulagira
7
I.4. Contexte et Problématique
L’étude des laves du volcan Nyiragongo remonte aux travaux pionniers des scientifiques :
Thure G. Sahama et Marcel Denaeyer. Les publications scientifiques sur ce sujet se sont
focalisées principalement sur la description de la composition chimique et pétrographique, la
modélisation pétrogénétique et la classification (e.g. Sahama, 1956, 1957, 1958, 1960, 1961,
Figure 6 : Evolution de la population de la ville de Goma, source : Service Etat civil Goma
Figure 4 : Dimensions ville de Goma le 11 Décembre 2001 (en couleur grise). Source : USGS
Figure 5 : Dimensions ville de Goma le 10 Juin 2002 (Gris : la ville, Rouge : coulées 2002). Source : USGS
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
800000
900000
1000000
No
mb
re d
'hab
itan
ts
Années
Population de Goma
HOMMES FEMMES GARCONS FILLES TOTAL
8
1964, 1968, 1973 ; Sahama et Meyer, 1958 ; Denaeyer, 1960, 1963 ; Hertogen et al., 1985 ;
Demant et al., 1994 ; Santo et al., 2003 ; Barette et al., 2016). Le volcan Nyiragongo est
caractérisé par des laves fortement sous saturées en silice, riches en népheline et melilite. La
leucite, le pyroxène et l’olivine y sont généralement moins abondantes. D’autres minéraux
comme le plagioclase, la titanomagnétite et l’apatite peuvent également être visibles dans des
roches de certains évents du flanc Sud de l’édifice.
Giordano et al. (2007) et Morrisson (2016) ont estimé la viscosité des laves du volcan
Nyiragongo à partir d’expériences en laboratoire, respectivement via un cylindre concentrique
ainsi qu’une rhéométrie de micropénétration et des viscosimètres ; mais sans utiliser la
géochimie et la microstructure des laves. Une des motivations de ce travail est d’analyser, par
des méthodes modernes, l’évolution géochimique et microstructurale des roches du volcan
Nyiragongo émises lors de récentes éruptions aux flancs de 1977, 2002 et 2016-présent à
l’intérieur de son cratère (Fig. 7). L’objectif principal est de calculer la viscosité et la densité à
partir de ces données.
Par ailleurs, on dispose de très peu d’informations sur la vitesse d’écoulement des laves du
Nyiragongo lors des éruptions de flancs. Komorowski et al. (2003) ont estimé entre 20 et 60
km/h la vitesse des coulées de 2002 sur le versant Sud-Est du cône du Shaheru à partir des
témoignages des rescapés de Kibati, village situé sur le flanc est du volcan Nyiragongo. Pour
les coulées de laves de 1977, Pottier (1978) a estimé la vitesse d’écoulement entre 15 et 20
km/h. Nous utiliserons dans la suite les valeurs de la viscosité et la densité calculées à partir de
la géochimie et la microstructure des laves ainsi que les paramètres topographiques et l’étendue
(volume) des coulées pour calculer la vitesse d’écoulement et le taux d’effusion des laves au
flanc Sud du volcan Nyiragongo lors de l’éruption de 2002.
Par ailleurs, des travaux de simulation de coulées de laves de 2002 au flanc Sud du volcan
Nyiragongo ont été faits par Favali et al., (2009) en utilisant le code « DOWNFLOW » et
Syavulisembo (2013) en utilisant VORIS 2.0.1. Ces travaux ont tenu compte de données
d’entrée seulement relatives au terrain et le volume des coulées, en l’occurrence la position de
l’évent éruptif, la topographie, le nombre d’itérations, l’épaisseur et la longueur des coulées. A
la différence de ces travaux antérieurs, nous proposons dans ce travail une simulation de la
propagation des coulées de laves plus exhaustive qui prend également en compte l’influence de
la viscosité, du taux d’effusion et de la densité des laves en utilisant le logiciel Q-LAVHA
9
Enfin, une maitrise avancée et globale des aspects évoqués ci-dessus relatifs aux laves du volcan
Nyiragongo ainsi que leurs interrelations est nécessaire et contribue potentiellement à la
réduction des risques liés aux coulées de laves sur les flancs de ce volcan, principale menace
naturelle permanente jusqu’à présent sur la ville de Goma, en République Démocratique du
Congo ; d’où la pertinence de ce travail.
I.5. Délimitation et objectifs de ce travail
- L’analyse chimique et pétrographique des échantillons de roches volcaniques des
éruptions de flancs de 1977 et 2002 et des laves émises par le nouvel évent qui s’est
ouvert en 2016 dans le cratère principal (fig.3) ;
- Le calcul de la viscosité et de la densité de ces laves ;
- L’évaluation de l’influence de la viscosité sur la vitesse d’écoulement et le taux
d’effusion des laves lors des éruptions au flanc sud de 2002 ;
- L’évaluation, par des tests de simulation de coulées dans le logiciel Q-LAVHA, de
l’influence des valeurs de la viscosité, du taux d’effusion et de la densité calculées sur
la superficie et la longueur maximum des coulées de laves au flanc sud du volcan
Nyiragongo.
Figure 7 : Eruption à l’intérieur du cratère du volcan Nyiragongo en 2016
Le dynamisme du volcan Nyiragongo, sa
position en plein parc naturel classé
patrimoine mondial par l’UNESCO et sa
proximité avec d’importantes
agglomérations urbaines comme la ville de
Goma en République Démocratique du
Congo et la ville de Gisenyi au Rwanda
suscitent une large curiosité de la
communauté scientifique tant locale
qu’internationale.
Dans sa suite, ce travail se limite à :
10
I.6. Matériels et méthodologie utilisés
I.6.1. Matériels et démarche méthodologique
a. Echantillonnage sur terrain
Les échantillons des laves de l’activité éruptive à l’intérieur du cratère de 2016-présent, ceux
de l’évent éruptif du Shaheru en 2002 et ceux de 1977 ont été collectés par le Professeur Olivier
Namur de KU Leuven et Dr Benoît Smets lors de l’expédition scientifique internationale au
sommet du volcan Nyiragongo parrainée par les Chercheurs du Musée Royal de l’Afrique
Central de Tervuren en Belgique, en collaboration avec l’Observatoire Volcanologique de
Goma du 9 au 20 Juin 2017. Ceux de l’activité intra-craterale de 2016-présent sont de petites
boules de laves projetées sur la deuxième plateforme intérieure du cratère (P2 sur Fig.8) à partir
de l’évent éruptif localisé sur la troisième plateforme (P3 sur Fig.8).
Pour ces deux coulées, nous avons échantillonné les évents, les milieux et les fronts respectifs.
En tout, nous avons fait une collection de 35 échantillons, dont 15 échantillons pour l’activité
éruptive de 2016-présent dans le cratère, 17 et 3 échantillons pour les coulées de 2002 et 1977
respectivement. Nous avons fait toutes les préparations et analyses au laboratoire de Géologie,
Pétrologie et Géochimie de l’Université de Liège en Belgique sous la supervision de Professeur
Jacqueline Vander Auwera et Nicolas Delmelle.
P1 P2 P3
Figure 8 : Morphologie du cratère du volcan Nyiragongo en 2016. P1 : Plateforme 1, P2 : Plateforme 2, P3 : Plateforme 3
Pour les autres laves de 2002, nous avons
échantillonné toutes les roches émises à
partir de deux autres évents éruptifs du
flanc Sud du volcan Nyiragongo : L’évent
de Bitungulu situé du côté Sud-Ouest du
Shaheru à 1862 m d’altitude. Cette coulée a
fait 10 km de longueur détruisant ainsi les
quartiers du nord-ouest de la ville de Goma
(fig.3 et 4). L’évent de Munigi est le plus
au sud, à 1583 m d’altitude, à quelques
mètres de l’aéroport international de Goma
et dont la coulée a détruit les quartiers de
l’Est la ville jusqu’à avancer quelques
mètres dans le lac Kivu (fig.3 et 4).
11
b. Microscopie
Pour des analyses microstructurales, nous avons confectionné au total 27 lames minces dont 15
lames des laves de 2016-présent, 9 lames de 2002 et 3 lames de 1977. Nous avons premièrement
utilisé le microscope polarisant de type « Optika » pour la détermination et la nomenclature des
minéraux. Pour caractériser la structure dans nos échantillons de laves, nous avons fait des
observations en lumière transmise, nicols parallèles et croisés.
Nous avons par la suite utilisé le microscope polarisant de type « Olympus » connecté à un
ordinateur sur lequel est installé le logiciel « PELCON » pour le comptage de différentes
c. La Géochimie
Les 35 échantillons collectés ont fait l’objet d’analyses géochimiques par spectrométrie de
fluorescence des rayons X (XRF). Nous avons ainsi préparé les perles pour analyser les
éléments majeurs et les pastilles pour analyser les éléments en traces. De manière à éliminer
les impuretés, les traces d’altération et de marteau lors de l’échantillonnage sur terrain, nous
avons d’abord nettoyé les échantillons à la scie et l’eau (Fig.10 A). Nous les avons par la suite
séchés à l’étuve à une température de 100 °C pendant 3 heures (Fig.10 B).
phases dans les lames minces, en l’occurrence
les cristaux, la matrice et les vacuoles. Le
dispositif comprend le microscope polarisant,
un ordinateur outillé du logiciel « PELCON »
et un compteur de phases, tous interconnectés
(Fig.9). Nous avons confondu toutes les
variétés des cristaux, l’objectif étant de
déterminer uniquement la proportion de la
phase des cristaux tous confondus. Nous
avons également considéré comme
microphénocristaux tous les grains dont la
taille est supérieure ou égale à 100 µm. Tous
les grains de taille inférieure ou égale à 100
µm ont été classés dans la matrice.
A
B
C
Figure 9 : Dispositif de comptage des points. A : Microscope, B : Compteur de phase ; C : Ordinateur
12
Préparation des perles
Pour chacun des échantillons, nous avons pris environ 1g de poudre dans un creuset en
porcelaine que nous avons calciné au four jusqu’à 1000 ° C pendant 24h (Fig.11A). Nous avons
par la suite refroidi au dessiccateur (Fig. 11B) et avons noté les différents poids après
calcination. De poudres calcinées, nous avons récupéré entre 340 et 350 mg dans les creusets
en platine et mélangé au flux dont nous avons calibré la quantité en multipliant les poids des
poudres calcinés récupérés dans les creusets en platine par 11. Nous avons enfin fait la fusion
de ces mélanges au four (Fig.11D) pour avoir les pattes avec lesquelles nous avons fait les
perles après refroidissement (Fig.11E).
A
B
C
D
A B C
D
E
Figure 10 : Dispositif de concassage et broyage
Figure 11 : Equipement de Préparation des perles
Nous avons enfin concassé un à un jusqu’à
obtenir des grains de 4 à 5 mm de
dimensions avant de les broyer à la
Pulverisette dans des garres en agate que
nous avons tourné à 350 tours/seconde
pendant 45 minutes (Fig.10 C et D) afin
d’obtenir une poudre avec une
granulométrie de près de 1µm.
13
Préparation des pastilles
Pour obtenir les pastilles, nous avons utilisé, pour chacun des échantillons, environ 7g de
poudres issues directement du broyage et que nous avons mélangé, chaque fois, à 2 ml de colle
liquide. Nous avons réchauffé ces mélanges à la lampe infra-rouge pour en éliminer les volatils.
Nous avons par la suite placé les mélanges secs dans la moule puis à l’instrument de presse
(Fig.12 B) pendant environ sept minutes pour obtenir les pastilles (Fig.12 C).
d. Simulations des coulées
Pour évaluer l’influence de la viscosité, du taux d’effusion et de la densité des laves sur la
propagation des coulées, nous avons utilisé le logiciel Q-LAVHA (Mossoux et al., 2016) qui
constitue un modèle de simulation de coulées de laves probabiliste et qui contient également
FLOWGO, un modèle thermo-rhéologique développé par Harris et Rowland (2001).
I.6.2. Utilisation des résultats
Les oxydes majeurs et les éléments en traces obtenus des analyses chimiques par fluorescence
des rayons X nous ont permis de contribuer à la caractérisation géochimique des roches du
volcan Nyiragongo. Nous avons ainsi utilisé le logiciel « IGPET » pour représenter ces résultats
dans le diagramme de Le Bas et al., (1986) pour la classification. Dans cette partie, l’abondance
des cristaux observés dans les lames au microscope nous a permis d’avoir une classification
très précise de ces roches. Nous avons, en plus, utilisé les dix oxydes majeurs pour calculer les
valeurs de viscosité de la lave liquide pour chaque échantillon selon le modèle prédictif de
Giordano et al., (2008) ainsi que les valeurs de densité selon l’expression de Bottinga et al.,
(1970). Nous explicitons ces modèles en détail dans la suite. Grâce aux différentes proportions
de cristaux calculées dans chaque échantillon par comptage des points au microscope, nous
Moule
A B
C
Figure 12 : Equipements de fabrication des pastilles
14
avons calculé les valeurs de viscosité relative prenant en compte la phase minérale dans chaque
échantillon selon le modèle développé par Carrichi et al. (2007).
A partir des valeurs de viscosité et de densité obtenues, nous avons calculé les vitesses
d’écoulement et les taux d’effusion des laves de Munigi et Bitungulu en nous basant sur la
démarche de Tallarico et al. (2006).
Enfin, nous avons utilisé des valeurs de viscosité, du taux d’effusion et de la densité pour
évaluer l’influence de ces paramètres sur la longueur et la dispersion des coulées de laves en
utilisant le logiciel Q-LAVHA. Nous avons considéré ici l’évent de Munigi de l’éruption de
2002, qui est le plus au Sud (en plein quartier périphérique de la ville).
Tous les modèles et démarches annoncés dans cette section sont explicités dans la suite de ce
document.
I.6.3. Apport des résultats de ce travail dans la politique de réduction des risques
volcaniques à Goma
Ce travail vise à compléter l’interprétation des précédentes études géochimiques et
pétrographiques des laves du volcan Nyiragongo citées dans la section I.4 de ce travail. Il donne
une nouvelle orientation de l’utilisation de ces données dans le calcul de la viscosité des laves,
de la vitesse d’écoulement aux flancs et du taux d’effusion. L’intégration, avec précision, de
ces informations sur le Nyiragongo dans les modèles de simulations des coulées de laves
permettra d’améliorer les scénarios de propagation des coulées de laves dans la région de Goma
lors de prochaines éruptions.
Ceci donne à l’Observatoire Volcanologique de Goma, le service de la Protection Civile et tous
les partenaires concernés la possibilité d’élaborer une planification d’urgence efficace et
pratique ; ce travail contribue donc à l’atténuation des risques liés aux coulées de laves dans la
région de Goma dans le futur.
15
II. DESCRIPTION MICROSCOPIQUE DES ECHANTILLONS
Une analyse pétrographique est essentielle pour connaître la composition d’une roche et la
classer. La description peut se faire macroscopiquement à l’échelle de l’affleurement ou de
l’échantillon et microscopiquement à l’échelle d’une lame mince à l’aide du microscope
polarisant ou du microscope électronique à balayage ou encore par analyse par microsonde
électronique. La microscopie pétrographique inventée au début du XIXème siècle travaille en
lumière transmise avec de la lumière polychromatique polarisée. Elle utilise des lames minces
de roches dont l’épaisseur est maintenant standardisée à 30 µm, permettant à la plupart de
minéraux silicatés d’être transparents (Montel et al., 2014).
Généralement, les roches volcaniques sont incomplètement cristallisées. La phase vitreuse ou
microcristalline peut occuper la quasi-totalité du volume de la lave, ce qui rend parfois
l’identification visuelle compliquée. Les minéraux réellement identifiés, souvent à l’échelle
d’une lame mince, sont dits « minéraux modaux » (Rossier, 2012).
II.1. Description minéralogique des laves de 2016-présent, 2002 et 1977
Pour rappel, nous avons considéré dans cette étude les laves émises lors de trois récentes
éruptions du volcan Nyiragongo, à savoir les éruptions aux flancs du 10 Janvier 1977, 17
Janvier 2002 et à l’intérieur du cratère de 2016-présent. L’éruption de 2002 est constituée de
quatre principaux évents éruptifs différents donnant lieu à trois coulées différentes de laves au
flanc Sud : l’évent du Shaheru, l’évent de Bitungulu et l’évent de Munigi. Le point de sortie
des laves de Mudjoga n’a fait que réactiver le cône préexistant portant le même nom (Fig.3 et
25). Pour des analyses microscopiques, nous avons confectionné 15 lames minces pour
l’activité éruptive dans le cratère de 2016-présent, 1 lame pour la coulée du Shaheru (2002), 3
lames pour Mudjoga (2002), 3 lames pour la coulée de Bitungulu, 2 lames pour la coulée de
Munigi et 3 lames pour la coulée de 1977.
Les échantillons de laves émises en 2016 contiennent tous abondamment de la néphéline suivie
du pyroxène, généralement en phénocristaux. La leucite et la melilite sont très rares. Ces deux
derniers minéraux ont été visibles seulement dans deux échantillons différents sur les 15
analysés. L’olivine est très peu abondante, et quand elle est visible, elle est souvent sous forme
de microlithes qu’on peut facilement confondre avec la matrice. Dans ces roches, la néphéline
et la melilite se caractérisent par une forme rectangulaire, un clivage pauvre et une extinction
droite. La néphéline est de teinte grisâtre. Il en est de même pour la melilite mais avec des
16
bordures jaunâtres à rougeâtres. L’olivine présente des teintes verdâtres, avec parfois des petites
taches roses. Le pyroxène, quant à lui, développe des plans de clivage transversaux et est de
teinte jaune. Par ailleurs, la leucite présente des teintes sombres.
Les échantillons de coulées de laves de 2002 s’avèrent très pauvres en phénocristaux
comparativement à ceux de 2016-présent. En effet, tous les échantillons des coulées venant des
évents éruptifs de 2002 contiennent uniquement des microlithes de néphéline, pyroxène et
quelques traces d’olivine, sauf l’échantillon du front de coulée venant de Mudjoga qui contient
quelques phénocristaux de pyroxène.
Par contre, les échantillons récoltés dans les coulées de 1977 sont riches en phénocristaux de
leucite, néphéline et parfois du pyroxène. L’olivine apparaît dans un seul échantillon sous forme
de micro-phénocristal. Une particularité est que ces laves se caractérisent par des jolies macles
tantôt de leucite-néphéline-pyroxène, tantôt de leucite-néphéline ou de pyroxène seul.
II.2. Analyse pétrographique quantitative des échantillons
L’analyse quantitative des échantillons de laves émises par le volcan Nyiragongo en 1977, 2002
et 2016-présent révèle des faibles proportions de cristaux ; les échantillons de 2016 ont des
proportions légèrement élevées en cristaux par rapport à ceux de 1977 puis 2002. En effet, les
proportions dans les échantillons de 2016 sont dans l’ordre de 8% de cristaux, tous confondus,
75% de matrice et 15% de vacuoles. Ceux de 1977 sont dans le même ordre en termes de
proportion de cristaux mais contiennent plus de vacuoles (30% en moyenne). Les coulées de
2002 sont dernières, avec moins de 5% de proportions de cristaux et près de 20% de vacuoles
(Fig. tableau 1).
Echantillon Coulée Fraction cristaux Vacuoles Matrices
NY17-10 2016 0,037 0,446 0,517
NY17-002 2016 0,088 0,124 0,788
NY-181 2002 0,02 0,23 0,75
NY17-192 2002 0,045 0,221 0,734
NY17-187 2002 0,02 0,13 0,85
NY17-146 1977 0,04 0,204 0,792
NY17-144 1977 0,072 0,401 0,527 Tableau 1 : Résultats du comptage des points
17
III. GEOCHIMIE DES LAVES DU VOLCAN NYIRAGONGO DE 2016, 2002 ET 1977
III.1. Les éléments majeurs
Le contenu en éléments majeurs, exprimés sous forme d’oxydes, a été mesuré. Les valeurs
d’oxydes majeurs obtenues après analyse par spectrométrie de fluorescence des rayons X (XRF)
dans les 35 échantillons considérés pour cette étude (tableau 1). Dans ce tableau, les
échantillons NY17-001 et NY17-188 sont des anomalies. Nous les ignorons dans nos
interprétations. La moyenne calculée de la perte au feu de tous ces échantillons est de -0,42 %
pds. Cette valeur négative de la perte au feu signifie que la poudre de l’échantillon a gagné du
poids au moment de la calcination que nous avons faite à 1000° C au lieu d’en perdre par le
départ des volatils. Ceci est dû à l’oxydation du fer ferreux au moment de la calcination (Potts,
1987). L’équation 1 traduit bien cette réaction chimique :
2𝐹𝑒𝑂 + 1
2𝑂2 → 𝐹𝑒2𝑂3 (1)
Au regard de ce tableau, les teneurs en silice sont homogènes (environ 39% pds) et très faibles
par rapport à celles rencontrées dans les laves d’autres volcans ayant le même dynamisme
éruptif que le Nyiragongo, comme les volcans Hawaïens, par exemple. En effet, la teneur en
silice dans les champs volcaniques d’Hawaï est généralement environ 50% pds (MacDonald et
al., 1964 ; Wright et al., 1970).
18
Coulée Echantillon SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 LOI
16 NY17-012 39,15 2,84 14,70 13,81 0,29 4,10 11,73 5,61 5,48 1,52 -0,65
16 NY17-021 39,02 2,84 14,90 13,59 0,28 4,11 11,63 5,64 5,62 1,53 -1,05
16 NY17-023 39,22 2,83 14,83 13,57 0,28 4,14 11,74 5,55 5,56 1,53 -0,68
16 NY17-009. 39,56 2,82 15,08 13,47 0,29 4,09 11,63 5,89 5,74 1,53 -1,01
16 NY17-019 39,03 2,83 14,60 13,51 0,29 4,17 12,11 5,65 5,40 1,51 -0,18
16 NY17-011. 39,27 2,86 14,78 13,63 0,29 4,10 11,71 5,75 5,59 1,54 -0,95
16 NY17-014 38,84 2,83 14,78 13,62 0,28 4,00 11,66 5,75 5,59 1,51 -0,78
16 NY17-016 39,13 2,89 14,52 13,69 0,29 4,18 12,40 5,19 5,38 1,58 0,23
16 NY17-007. 39,80 2,87 14,93 13,56 0,29 4,04 11,68 5,87 5,67 1,54 -0,95
16 NY17-010 39,20 2,87 14,86 13,65 0,28 4,10 11,75 5,48 5,56 1,53 -0,62
16 NY17-002. 39,77 2,62 15,98 12,65 0,29 3,65 11,48 5,51 6,11 1,29 0,27
16 NY17-001 40,56 2,14 19,49 10,56 0,24 2,77 9,04 6,43 7,54 1,05 0,87
16 NY17-015 39,19 2,86 14,51 13,71 0,29 4,15 12,25 5,45 5,28 1,53 -0,42
16 NY17-022 39,33 2,83 14,89 13,56 0,29 4,07 11,59 5,65 5,64 1,52 -0,92
16 NY17-006 39,19 2,86 14,69 13,61 0,29 4,06 11,68 5,56 5,61 1,53 -0,93
02Mjg NY17-189 39,80 2,87 14,69 13,70 0,29 4,14 12,27 5,40 5,25 1,52 -0,15
02Bit NY17-207 39,58 2,89 14,66 13,72 0,30 4,16 12,20 5,45 5,32 1,51 -0,44
02Mng NY17-206 39,31 2,86 14,57 13,59 0,29 4,13 12,24 5,38 5,52 1,50 -0,40
02Bit NY17-184 39,60 2,86 14,74 13,68 0,29 4,14 12,16 5,72 5,54 1,54 -1,17
02Bit NY17-150 39,30 2,84 14,66 13,59 0,29 4,13 12,24 5,27 5,41 1,50 -0,32
02Bit NY17-193 39,50 2,88 14,71 13,68 0,30 4,18 12,33 5,53 5,21 1,51 0,03
02Mng NY17-205 39,20 2,85 14,56 13,55 0,29 4,06 12,17 5,29 5,39 1,49 -0,42
02Mjg NY17-191 39,50 2,93 14,62 13,92 0,29 4,15 12,16 5,15 5,39 1,52 -0,24
02Bit NY17-181 39,33 2,84 14,57 13,46 0,29 4,11 12,14 5,49 5,45 1,50 -0,54
02Mng NY17-192 39,91 2,85 14,67 13,64 0,29 4,15 12,30 5,45 5,22 1,49 -0,37
02Shr Ny17-126 39,41 2,83 14,50 13,45 0,29 4,09 12,15 5,56 5,37 1,51 -0,69
02Bit NY17-183. 39,75 2,87 14,73 13,58 0,29 4,14 12,32 5,66 5,29 1,53 -0,23
02Mjg NY17-188. 42,23 3,45 12,80 13,23 0,21 7,92 13,88 2,70 3,07 0,94 0,12
19
02Mjg NY17-187. 39,58 2,85 14,59 13,61 0,29 4,17 12,16 5,41 5,26 1,51 -0,27
02Bit NY17-208. 39,22 2,84 14,63 13,57 0,29 4,17 12,12 5,44 5,36 1,50 -0,40
02Mjg NY17-190. 39,39 2,83 14,48 13,50 0,29 4,04 12,14 5,27 5,31 1,49 -0,15
02Mjg NY17-148. 39,58 2,86 14,58 13,62 0,29 4,14 12,26 5,45 5,39 1,52 -0,56
77 NY17-145 39,50 3,05 15,05 13,63 0,28 4,27 12,13 5,08 4,91 1,60 0,11
77 Ny17-146 39,41 2,83 14,50 13,45 0,29 4,09 12,15 5,56 5,37 1,51 -0,69
77 NY17-144. 44,19 1,84 18,92 10,90 0,24 2,67 7,45 6,76 5,60 1,02 -0,16
Tableau 2 : Composition en oxydes des échantillons collectés pour cette étude, Bit= Bitungulu, Mng= Munigi et Mjg= Mudjoga, Rouge : 2016, Noire : 2002, Verte : 1977
20
En utilisant le diagramme de classification de LeBas et al., 1986, qui est fonction du total des
alcalins et de la silice (TAS), ces roches se trouvent dans le champ de foïdites (Fig.13). La
Fig.14 illustre que ce sont des roches très alcalines ; ayant des teneurs en K2O et Na2O très
proches (tableau 2). Ainsi, le rapport K2O/Na2O est très proche de 1 (entre 0.97 et 1.17).
L’indice d’agpaïcité varie de 1.09 à 1.15 pour les laves de 2016 ; de 1,08 à 1,14 pour les coulées
de 2002 et 1,13 à 1,97 pour les coulées de 1977. Par l’abondance de la néphéline observée dans
les lames minces (voir section II.1), nous précisons que ce sont des néphélinites (Fig.15).
Figure 13 : Classification des roches magmatiques selon LeBas et al., (1986)
Figure 14 : Illustration de l’alcalinité par le diagramme triangulaire
Les faibles teneurs en magnésium (± 2.8 %)
dans le tableau (2) témoignent que les laves
émises en 2016, 2002 et 1977 ne sont pas issues
des magmas primaires. Il s’agit donc des
magmas dont la composition chimique
originelle a évolué au cours de l’ascension. En
effet, il est établi qu’un liquide magmatique est
primaire si sa teneur en MgO est comprise entre
8 et 15% et est à l’équilibre avec des olivines du
manteau (Chazot et al., 2017).
21
Pour les laves émises en 2016, les Figures 16A, 16B et 16C illustrent une corrélation positive
entre le magnésium, le calcium et le fer. Elles montrent que lors du refroidissement du magma,
avant la cristallisation des clinopyroxènes, minéraux ferromagnésiens et calciques observés en
microscopie (voir section II.1. ci-dessus), l’augmentation du magnésium, du calcium et du fer
était proportionnelle à celle de la silice. Mais lorsque les clinopyroxènes cristallisent, le
magnésium, le calcium et le fer diminuent alors que la silice augmente. Au regard de cette
tendance géochimique, du fait de l’insuffisance de MgO qui est dans l’ordre de 4,15 (Tableau
2) et d’autres caractéristiques observées en microscopie, le clinopyroxène qui cristallisait est
précisément le Hédenbergite [CaFe(SiO3)2]. Les Figures 16B et 16E indiquent l’enrichissement
en alcalins au fur et à mesure de l’évolution magmatique. L’aluminium montre également cette
même tendance à l’augmentation proportionnellement à la silice (Fig. 16F). L’abondance des
alcalins (sodium et potassium), de l’aluminium et de la silice dans le liquide silicaté a induit la
cristallisation de la néphéline [Na3(Na,K)Al4Si4O16] observée en microscopie. La faible
proportion de cristaux d’olivine [(Mg,Fe)2SiO4] peut s’expliquer par l’insuffisance du
magnésium dans le liquide magmatique (Tableau 2 et Fig.16A) ; et lorsqu’il s’enrichit en Silice,
le magnésium n’est plus suffisant à cause de la cristallisation des clinopyroxènes
ferromagnésiens et calciques qui a précédé.
Figure 15 : Diagramme de COX, 1979
22
Pour les laves de 2002, les Figures 17A, 17B et 17C affichent une corrélation entre le
magnésium et le calcium. Elles renseignent que lors du refroidissement, les concentrations en
magnésium, calcium et fer augmentaient avec celle de la silice ; même si à un moment il
s’observe une certaine tendance à la stabilité. Ceci traduit ainsi l’absence des cristaux de
minéraux ferromagnésiens et calciques dans les lames minces (voir section II.1); pourtant les
concentrations en MgO, CaO, Fe2O3 et SiO2 sont suffisantes pour en permettre la
cristallisation (Tableau 2). Pour les Figures 17D, 17E et 17F, on note une disharmonie entre
Figure 16 : Corrélations dans les laves de 2016 à nos jours
3,00
3,20
3,40
3,60
3,80
4,00
4,20
4,40
38,60 38,80 39,00 39,20 39,40 39,60 39,80 40,00
MgO
(%
)
SiO2 (%)
SiO2-MgO
5,00
5,20
5,40
5,60
5,80
6,00
6,20
38,60 38,80 39,00 39,20 39,40 39,60 39,80 40,00
K2
O (
%)
SiO2 (%)
SiO2-K2O
5,00
5,20
5,40
5,60
5,80
6,00
38,50 39,00 39,50 40,00
Na2
O (
%)
SiO2 (%)
SiO2-Na2O
11,00
11,50
12,00
12,50
38,60 38,80 39,00 39,20 39,40 39,60 39,80 40,00
CaO
(%
)
SiO2 (%)
SiO2-CaO
12,00
12,50
13,00
13,50
14,00
38,50 39,00 39,50 40,00
Fe2
O3
(%
)
SiO2 (%)
SiO2-Fe2O3
14,00
14,50
15,00
15,50
16,00
16,50
38,50 39,00 39,50 40,00
Al2
O3
(%
)
SiO2 (%)
SiO2-Al2O3
A B
C D
E F
23
l’évolution du K2O et celle duNa2O et de Al2O3. Cette diminution du potassium pourrait être
la cause de l’absence des cristaux de Néphéline (Na3(Na,K)[Al4Si4O16] ) dans les lames
analysées en microscopie (voir section II.1).
Figure 17 : Corrélations dans les laves de 2002
4,00
4,02
4,04
4,06
4,08
4,10
4,12
4,14
4,16
4,18
4,20
39,00 39,20 39,40 39,60 39,80 40,00
MgO
(%
)
SiO2 (%)
12,00
12,05
12,10
12,15
12,20
12,25
12,30
12,35
39,00 39,20 39,40 39,60 39,80 40,00
CaO
(%
)
SiO2 (%)
5,00
5,10
5,20
5,30
5,40
5,50
5,60
5,70
5,80
39,00 39,20 39,40 39,60 39,80 40,00
Na2
O (
%)
SiO2 (%)
13,40
13,50
13,60
13,70
13,80
13,90
14,00
39,00 39,20 39,40 39,60 39,80 40,00
Fe2
O3
(%
)
SiO2 (%)
5,00
5,10
5,20
5,30
5,40
5,50
5,60
39,00 39,20 39,40 39,60 39,80 40,00
K2
O (
%)
SiO2 (%)
14,45
14,50
14,55
14,60
14,65
14,70
14,75
14,80
39,00 39,20 39,40 39,60 39,80 40,00
Al2
O3
(%
)
SiO2 (%)
A B
C D
E F
24
Le nombre limité d’échantillons de laves que nous avons collectés pour l’éruption de 1977 ne
nous a pas permis de faire des corrélations comme pour les laves de 2016 et 2002 ci-dessus
(Fig. 16 et Fig. 17). En effet, les Fig. 18A, 18B et 18C traduisent une corrélation entre le
magnésium, le calcium et le fer. Ces trois éléments diminuent avec l’augmentation de la silice.
Figure 18 : Corrélations dans les laves de 1977
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
38,00 40,00 42,00 44,00 46,00
MgO
(%
)
SiO2 (%)
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
38,00 40,00 42,00 44,00 46,00
CaO
(%
)
SiO2 (%)
9,00
10,00
11,00
12,00
13,00
14,00
38,00 40,00 42,00 44,00 46,00
Fe2
O3
(%
)
SiO2 (%)
4,00
5,00
6,00
7,00
38,00 40,00 42,00 44,00 46,00
Na2
O (
%)
SiO2 (%)
4,00
4,50
5,00
5,50
6,00
38,00 40,00 42,00 44,00 46,00
K2
O (
%)
SiO2 (%)
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
38,00 40,00 42,00 44,00 46,00
Al2
O3
(%
)
SiO2 (%)
A B
C D
E F
25
III.2. Les éléments en traces
2225
2275
2325
2375
2425
2475
38,50 39,00 39,50
Ba
(pp
m)
SiO2 (%)
2647
2667
2687
2707
2727
38,50 39,00 39,50
Sr (
pp
m)
SiO2 (%)
137
142
147
152
157
38,50 39,00 39,50
Rb
(p
pm
)
SiO2 (%)
319
329
339
349
359
38,70 38,90 39,10 39,30 39,50 39,70 39,90
Zr (
pp
m)
SiO2 (%)
165
175
185
195
205
38,70 38,90 39,10 39,30 39,50 39,70 39,90
V (
pp
m)
SiO2 (%)-16
-11
-6
-138,50 39,00 39,50
Cr
(pp
m)
SiO2 (%)
14
19
24
29
34
39
44
38,50 39,00 39,50
Ni (
pp
m)
SiO2 (%)
373738383939404041
38,60 38,80 39,00 39,20 39,40 39,60 39,80 40,00
Y (p
pm
)
SiO2 (%)
A B
C D
E F
G H
Figure 19 : Corrélations entre éléments en traces
26
Les Figures 19A, 19D et 19E montrent une allure similaire pour le baryum, le zirconium, le
vanadium et le nickel et pour toutes les laves étudiées. Nous remarquons une légère tendance à
la hausse en baryum, zirconium et vanadium avant de commencer une stabilité relative avec
l’augmentation de la concentration en silice. Par contre le Rubidium et le Chrome augmentent
avec la silice (Fig. 19C et 19F).
27
Coulée Echantillon SiO2 Ni Rb Sr Y Zr Ba Cr V
16 NY17-012 39,15 39 142 2680 40 337 2320 -4 181
16 NY17-021 39,02 33 147 2660 40 333 2268 -5 185
16 NY17-023 39,22 31 155 2676 38 332 2300 -5 170
16 NY17-007. 39,80 28 142 2668 39 334 2302 -8 196
16 NY17-002. 39,77 19 153 2731 40 356 2388 -9 190
16 NY17-019 39,03 34 149 2682 37 324 2327 -9 178
16 NY17-014 38,84 30 145 2679 39 333 2275 -9 201
16 NY17-011. 39,27 35 142 2652 39 332 2276 -4 190
16 NY17-016 39,13 28 148 2724 39 329 2472 -11 183
16 NY17-010 39,20 30 143 2675 39 335 2317 -9 199
16 NY17-006 39,19 31 142 2696 39 339 2298 -9 205
16 NY17-001 40,56 21 170 2181 32 281 2059 -2 140
16 NY17-015 39,19 35 142 2717 39 339 2285 -5 193
16 NY17-022 39,33 29 142 2656 39 335 2325 -8 194
16 NY17-009. 39,56 34 148 2669 39 330 2230 -4 182
02Mjg NY17-189 39,80 35 140 2744 40 345 2296 -7 197
02Bit NY17-207 39,58 28 146 2783 40 347 2456 -13 197
02Mng NY17-206 39,31 29 146 2791 40 339 2433 -12 193
02Bit NY17-184 39,60 32 141 2747 40 342 2293 -6 193
02Bit NY17-150 39,30 30 143 2773 40 336 2346 -10 195
02Shr Ny17-126 39,41 31 139 2677 39 336 2326 -11 211
02Bit NY17-193 39,50 28 147 2769 40 339 2430 -12 186
02Mng NY17-205 39,20 28 143 2702 39 335 2439 -12 201
02Mjg NY17-191 39,50 33 142 2695 40 346 2340 -6 209
02Bit NY17-181 39,33 34 139 2701 39 338 2315 -6 192
02Mng NY17-192 39,91 32 136 2680 38 333 2295 -7 184
02Bit NY17-183. 39,75 33 139 2746 40 342 2310 -6 195
02Mjg NY17-188. 42,23 89 83 1243 32 327 1285 151 264
28
02Mjg NY17-187. 39,58 32 141 2621 38 333 2335 -8 199
02Bit NY17-208. 39,22 30 146 2709 39 334 2304 -9 186
02Mjg NY17-190. 39,39 31 147 2718 40 342 2315 -10 205
02Mjg NY17-148. 39,58 31 145 2803 41 345 2299 -12 202
77 Ny17-146 39,41 29 128 2288 39 369 2071 -7 195
77 NY17-145 39,50 28 121 2395 40 374 2256 -8 200
77 NY17-144. 44,19 15 127 2678 35 338 2271 -4 102
Tableau 3 : Eléments en traces des échantillons collectés pour cette étude, Bit= Bitungulu, Mng= Munigi et Mjg= Mudjoga, Rouge : 2016, Noire : 2002, Verte : 1977
29
IV. RHEOLOGIE DES LAVES ETUDIEES
IV.1. Viscosité
La connaissance de la rhéologie du magma est cruciale pour comprendre la dynamique des
magmas depuis l’ascension dans les cheminées jusqu’aux éruptions volcaniques ainsi que la
propagation des coulées de laves à la surface.
Plusieurs modèles de calcul de viscosité sont déjà développés. Le modèle de Giordano et al.,
(2008) est le mieux indiqué pour les laves que nous étudions dans ce travail au regard de la
faible proportion des cristaux que nous avons constatée en microscopie (tableau 1). Dans la
suite, nous présentons d’abord les différentes variations de la viscosité du liquide magmatique
en fonction de la température et de la composition chimique. Puis, nous évaluons l’influence
des cristaux sur cette viscosité du liquide en utilisant le modèle de Carrichi et al. (2007).
IV.1.1. Viscosité des laves du volcan Nyiragongo de 2016-présent, 2002 et 1977
IV.1.1.1. Le modèle de Giordano
Le modèle de Giordano et al. (2008) considère le liquide silicaté comme newtonien et non
arrhenien. Il prédit la viscosité en fonction de la température et des concentrations des dix
oxydes majeurs (SiO2, Al2O3, TiO2, FeOtot, CaO, MgO, MnO, Na2O, K2O, P2O5) auxquels on
associe l’eau et le fluor (F2O-1). Mais dans le cadre de ce travail, nous avons calculé la viscosité
sèche, négligeant ainsi l’influence de l’eau et du fluor. En effet, arrivées à la surface, les laves
dont il est question dans cette étude ne contenaient plus de volatils. Les valeurs négatives de la
perte au feu de nos échantillons (tableau 2) en témoignent. Elles montrent qu’au moment de la
calcination, nos échantillons ont gagné du poids au lieu d’en perdre par le départ des volatils. Il
n’y avait donc plus de volatils dans ces laves. Ce modèle considère la viscosité comme
indépendante de la pression ou des contraintes. Tout l’algorithme de ce modèle repose sur
l’équation 2. Dans celle-ci, le paramètre A est la valeur de Log (Pa.s) à la temperature infinie
et représente donc la limite élevée de la temperature pour laquelle la viscosité du liquide silicate
devient constante. A est une constante indépendante de la composition impliquant que tous les
liquides convergent vers une valeur commune de la viscosité à une température élevée (infinie).
La valeur de A est -4,55 Pa.s.
Log = A +𝐵
𝑇(𝐾)−𝐶 (2)
30
Les effets de la composition du liquide magmatique sont attribués aux paramètres B et C en les
considérant comme des ensembles linéaires des combinaisons de composants d’oxydes et des
nombres multiplicatifs d’oxydes :
B = ∑[biMi]
6
i=1
+ ∑[b1j (M11j. M21j)] (3)
3
j=1
C = ∑[ciNi]
5
i=1
+ [c11 (N111. N211)] (4)
Où M et N font référence à des combinaisons avec les pourcentages des moles d’oxydes (tableau
4) pour B et C respectivement. Les 15 coefficients (bi, b1j, ci, c11) définis dans les équations (3)
et (4) sont suffisants pour calculer les valeurs de B et C dans n’importe quel liquide magmatique
(Giordano et al., 2008).
Coefficients Oxydes Valeurs Coefficients Oxydes Valeurs
b1 SiO2+TiO2 159.6 (7) c1 SiO2 2.75 (0.4)
b2 Al2O3 −173.3 (22) c2 TAc 15.7 (1.6)
b3 FeO(T)+MnO+P2O5 72.1 (14) c3 FMd 8.3 (0.5)
b4 MgO 75.7 (13) c4 CaO 10.2 (0.7)
b5 CaO −39.0 (9) c5 NKe −12.3 (1.3)
b6 Na2O −84.1 (13) c11 (Al2O3+FM+
CaO
−P2O5)*(NK)
0.30 (0.04)
b11 (SiO2+TiO2)*(FM) −2.43 (0.3)
b12 (SiO2+TA
+P2O5)*(NK)
−0.91 (0.3)
b13 (Al2O3)*(NK) 17.6 (1.8)
a Les chiffres entre parenthèses indiquent des limites de confiance de 95% sur les valeurs des coefficients du
modèle.
c Somme TiO2+Al2O3.
d Somme FeO(T)+MnO+MgO.
e Somme Na2O+K2O. Tableau 4 : Coefficients de calcul des paramètres B et C exprimés en mol% oxydes (Giordano et al. (2008) adapté à ce travail
31
IV.1.1.2. Viscosité des laves de 2016-présent, 2002 et 1977
a. Les laves émises en 2016-présent
Le tableau 13 (en annexe) donne les valeurs des paramètres B et C calculées selon les équations
(3) et (4) ainsi que les valeurs de viscosité pour tous les échantillons de 2016-présent calculées
pour des températures allant de 1200°C à 1000°C avec des intervalles de 20°C. La figure 20 est
l’exemple de la variation de la viscosité de l’échantillon NY17-012, pris au hasard, pour des
intervalles de 10°C de diminution de température, entre 1200°C et 1000°C. Elle montre que
pour ces températures, le logarithme de la viscosité des laves de 2016-présent se situe entre 1,5
et 4 Pas. La figure 21 montre que pour les laves émises en 2016-présent, une diminution de la
température de 50°C entrainait une augmentation du logarithme de viscosité d’environ 0,52
Pas. En plus, les valeurs du logarithme de viscosité sont entre 1,5 et 2 Pas ; 2 et 2,5 Pas ; 2,5 et
3 Pas ; 3 et 3,5 Pas ; 3,5 et 4 Pas respectivement pour des températures de 1200°, 1150°C ,
1100°C, 1050°C et 1000°C. Dans cette gamme de températures, la valeur moyenne du
logarithme de viscosité des laves de 2016-présent est de 2,71 Pas.
Figure 20 : variation de la viscosité de l’échantillon NY17-012 tous les 10°C de diminution de température
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
950 1000 1050 1100 1150 1200 1250
Log
[Vis
cosi
té]
(Pas
)
Température (°C)
32
b. Les laves de l’éruption de 2002
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
950 1000 1050 1100 1150 1200 1250
Log
[Vis
cosi
té]
(Pas
)
Température (°C)
NY17-189
Figure 22 : variation de la viscosité de l’échantillon NY17-189 tous les 10°C de diminution de température
Figure 21 : Relation viscosité – silice – température des laves de 2016
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
39
,15
39
,02
39
,22
39
,03
38
,84
39
,13
39
,20
39
,19
39
,33
39
,56
39
,27
39
,80
39
,77
39
,19
Logη
(P
as)
SiO2 (%)
Relation viscosité-silice-température
Logh à 1200°C Logh à 1150°C Logh à 1100°C Logh à 1050°C Logh à 1000°CLogη à 1200°C Logη à 1150°C Logη à 1100°C Logη à 1050°C Logη à 1000°C
33
Le tableau 14 (en annexe) contient les résultats obtenus pour les valeurs des paramètres B et C
et de viscosité calculées à partir des équations (2), (3) et (4). Pour les laves de 2002, la viscosité
est plus oscillante dans la tranche de températures que nous avons considérée (1200°C et
1000°C). La figure 22 donne la tendance de variation de viscosité de l’échantillon NY17-189,
pris de manière aléatoire parmi d’autres. Comme pour les laves de 2016-présent, elle suggère
que le logarithme de la viscosité de cet échantillon de lave varie entre 1,5 et 4 Pas entre 1200°C
et 1000°C. La figure 23 montre qu’une diminution de température de 50°C dans les laves de
2002 entrainait une augmentation de viscosité d’environ 0,52 Pas. En plus, les valeurs du
logarithme de viscosité sont entre 1,6 et 1,9 Pas ; 2 et 2,3 Pas ; 2,4 et 2,8 Pas ; 3 et 3,4 Pas ; 3,6
et 4 Pas respectivement pour des températures de 1200°, 1150°C , 1100°C, 1050°C et 1000°C.
En somme, la valeur moyenne du logarithme de viscosité des laves de 2002 est de 2,65 Pas
entre 1200°C et 1000°C.
c. Les laves de l’éruption de 1977
A la lecture du tableau 15 (en annexe), les laves de l’éruption du volcan Nyiragongo de 1977
présentent des valeurs du logarithme de viscosité élevées. Considérant l’échantillon NY17-146,
nous constatons qu’entre 1200 °C et 1000°C, le logarithme de viscosité se situe entre 4,5 et 10,5
Pas (Fig. 24). Ces valeurs de viscosité élevées sont dues à la teneur élevée de la silice. Pour ces
laves, une diminution de la température de 50°C entrainait une augmentation du logarithme de
viscosité d’environ 1,43 Pas. La valeur moyenne du logarithme de viscosité calculée entre 1200
°C et 1000°C est de 7,81 Pas.
Figure 23 : Relation viscosité – silice – température des laves de 2002
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
39
,80
39
,58
39
,31
39
,60
39
,30
39
,50
39
,20
39
,50
39
,33
39
,91
39
,75
39
,58
39
,22
39
,39
39
,58
39
,41
Logη
(Pas
)
SiO2 (%)
Relation viscosité-silice-température
Logh à 1200°C Logh à 1150°C Logh à 1100°C Logh à 1050°C Logh à 1000°CLogη à 1200°C Logη à 1150°C Logη à 1100°C Logη à 1050°C Logη à 1000°C
34
IV.1.2. Changement de viscosité dû aux solides en suspension (cristaux)
Dans ce paragraphe, nous comparons la viscosité du liquide magmatique explicité ci-dessus
(section IV.1.1) et le changement induit par la présence des cristaux en suspension dans le
magma (viscosité relative). Nous avons ainsi évalué l’influence des solides en suspension en
utilisant le modèle développé par Carrichi et al., (2007). Ce modèle découle des résultats d’une
série d’expériences dans des conditions de haute température et haute pression analogues à
celles des conduits volcaniques. Le but était d’étudier la rhéologie du magma avec des fractions
de cristaux variant entre 0,5 et 0,8 en fonction de différentes contraintes. Pour les laves dont la
fraction des cristaux est comprise entre 0 et 0,3 comme c’est le cas pour les laves que nous
étudions ici (1977, 2002 et 2016), la viscosité relative est indépendante des contraintes
(pression). L’augmentation de la viscosité relative (r) en fonction de l’augmentation de la
fraction des cristaux dans le magma (ϕ ) est décrite par l’équation (5).
𝜂𝑟(ϕ) = 1 + (
𝜙𝜙𝑚𝑎𝑥)
𝛿
(1 − α {√π2α
ϕϕmax [1 + (
ϕϕmax)
γ
]})
Bϕmax (5)
Avec α, δ, ϕmax et γ qui sont des paramètres de calibration. B est le coefficient d’Einstein dont
la valeur théorique constante est 2,5. Les paramètres α, δ, ϕmax et γ sont donnés par les équations
(6), (7), (8) et (9).
ϕ max = 0,066499. tan(0,913424) . 𝑙𝑜𝑔10(Ϋ) + 3,850623 + 0,591806 (6)
0
2
4
6
8
10
12
950 1000 1050 1100 1150 1200 1250
Log
[Vis
cosi
té]
(Pas
)
Température
NY17-146
Figure 24 : Variation de la viscosité des laves de 1977 en fonction de la température (allant de 1200°C à 1000°C)
35
𝛿 = −6,301095 . tan(0,818496 . 𝑙𝑜𝑔10(Ϋ) + 2,86) + 7,462405 (7)
𝛼 = −0,000378 . tan(1,148101 . 𝑙𝑜𝑔10(Ϋ) + 3,92) + 0,999572 (8)
𝛾 = 3,987815 . tan(0,8908 . 𝑙𝑜𝑔10(Ϋ) + 3,24) + 5,099645 (9)
Avec Ϋ la contrainte (pression) ; mais qui est négligée dans ce travail car 0< ϕ≤0,3.
Echantillon Paramètres Fraction
des
cristaux
Viscosité
relative (r)
ϕmax δ α γ ϕ
NY17-10 4,44 7,15 0,99 5,33 0,037 1,09
NY17-002 4,44 7,15 0,99 5,33 0,088 1,22
NY17-181 4,44 7,15 0,99 5,33 0,02 1,05
NY17-192 4,44 7,15 0,99 5,33 0,045 1,11
NY17-187 4,44 7,15 0,99 5,33 0,02 1,05
NY17-146 4,44 7,15 0,99 5,33 0,004 1,01
NY17-144 4,44 7,15 0,99 5,33 0,072 1,17 Tableau 5 : Valeurs calculées des paramètres de calibration et de viscosité relative en fonction des fractions des cristaux
Les laves du volcan Nyiragongo de 1977, 2002 et 2016-présent contiennent des proportions très
faibles des cristaux. En conséquence, l’influence des cristaux sur la viscosité est également
faible. Le tableau 5 donne les valeurs de différents paramètres ainsi que les viscosités relatives
calculées sur base des proportions des cristaux dans les laves étudiées. Toutes ces viscosités
relatives sont inférieures aux valeurs de viscosité du liquide que nous avons calculées ci-dessus
(tableaux 13, 14 et 15).
IV.2. Densité des laves du volcan Nyiragongo de 2016-présent, 2002 et 1977
Echantillon
Densité à 1200°C
(Kg/m3)
Densité à 1150°C
(Kg/m3)
Densité à 1100°C
(Kg/m3)
Densité à 1050°C
(Kg/m3)
Densité à 1000°C
(Kg/m3)
NY17-012 2408 2422 2436 2450 2463
NY17-021 2410 2423 2437 2452 2466
NY17-023 2410 2424 2438 2452 2467
NY17-019 2414 2428 2442 2456 2470
NY17-014 2408 2422 2436 2451 2465
NY17-016 2415 2429 2443 2457 2472
NY17-010 2410 2424 2438 2452 2466
NY17-015 2413 2427 2441 2455 2469
NY17-022 2408 2422 2436 2450 2465
NY17-009. 2409 2423 2437 2451 2466
NY17-011. 2409 2423 2437 2451 2465
36
NY17-007. 2408 2422 2436 2450 2464
NY17-002. 2412 2426 2439 2453 2467
NY17-006 2409 2422 2436 2451 2465
Moyennes 2409,93 2423 2437 2451 2465
Tableau 6 : Densité des laves de 2016 à différentes températures
Echantillon
Densité à 1200°C
(Kg/m3)
Densité à 1150°C
(Kg/m3)
Densité à 1100°C
(Kg/m3)
Densité à 1050°C
(Kg/m3)
Densité à 1000°C
(Kg/m3)
NY17-189 2413 2427 2441 2455 2469
NY17-207 2413 2427 2441 2455 2469
NY17-206 2413 2427 2441 2455 2470
NY17-184 2412 2426 2440 2454 2468
NY17-150 2414 2428 2442 2456 2470
NY17-193 2415 2428 2442 2456 2471
NY17-205 2413 2427 2441 2455 2469
NY17-191 2411 2425 2439 2453 2467
NY17-181 2413 2427 2441 2455 2469
NY17-192 2414 2427 2441 2455 2469
NY17-183. 2414 2428 2442 2456 2470
NY17-187. 2426 2440 2454 2468 2483
NY17-208. 2414 2427 2441 2455 2470
NY17-190. 2413 2426 2440 2454 2468
NY17-148. 2413 2427 2441 2455 2469
Ny17-126 2413 2427 2441 2455 2469
Moyennes 2417 2430,705882 2444,647059 2458,588235 2472,823529
Tableau 7 : Densité des laves de 2002 à différentes températures
Echantillon
Densité à 1200°C
(Kg/m3)
Densité à 1150°C
(Kg/m3)
Densité à 1100°C
(Kg/m3)
Densité à 1050°C
(Kg/m3)
Densité à 1000°C
(Kg/m3)
NY17-145 2418 2432 2446 2460 2474
NY17-144. 2383 2395 2407 2420 2432
Ny17-146 2413 2427 2447 2455 2469
Moyennes 2404,666667 2418 2433,333333 2445 2458,333333
Tableau 8 : Densité des laves de 1977 à différentes températures
Nous avons calculé les valeurs de densités des laves par le modèle développé par Bottinga et
Weill (1970), avec les volumes molaires, la dilatation thermique et les données de
compressibilité de Lange et Carmichael (1987), Kress et Carmichael (1991), Toplis et al.
(1994), Lange (1997), Ochs et Lange (1997, 1999). Ainsi, ce modèle nous a permis de calculer
la densité des liquides silicatés à partir des volumes molaires des composants d’oxydes. Le
tableau 6 résume la variation de densité des laves de 2016 en fonction de la température. Cette
37
densité varie entre 2400 kg/m3 et 2470 kg/m3 dans l’intervalle de températures allant de 1200°C
et 1000°C. La moyenne calculée de toutes ces valeurs est de 2437 kg/m3.
Les laves de 2002 sont plus denses que celles de 2016-présent (tableau 7). Elles se caractérisent
également par des valeurs de densité très rapprochées. Ces valeurs varient entre 2415 kg/m3 et
2475 kg/m3, entre 1200°C et 1000°C, avec une moyenne de 2444 kg/m3.
Les laves de 1977 se caractérisent également par des valeurs de densité plus ou moins
dispersées, bien que le nombre d’échantillons soit réduit. La moyenne pour ces laves est de
2431 kg/m3.
IV.3. Vitesse d’écoulement et taux d’effusion des laves de 2002
La connaissance du taux d’effusion des laves est d’une importance capitale pour décrire et
prévoir les modèles de propagation des coulées de laves lors des éruptions. Dans ce travail,
nous estimons le taux d’effusion des laves de l’éruption aux flancs du volcan Nyiragongo de
2002 en utilisant le modèle proposé par Tallarico et al. (2006). Nous ne calculons pas le taux
d’effusion pour les laves 2016-présent car les échantillons que nous utilisons sont des boules
de laves projetées (voir section I.6.1.a). Ainsi, il n’est pas possible de rassembler tous les
paramètres nécessaires pour le calcul du taux d’effusion pour ces laves, notamment par exemple
la hauteur et la largeur de la coulée. Il en est de même pour la coulée de 1977 et celle venant de
l’évent de Shaheru en 2002 car ces deux coulées se superposent (Fig.25).
Pour n’importe quelle coulée de laves, le modèle de Tallarico et al. (2006) se base sur la vitesse
d’écoulement moyenne des laves et les dimensions de la coulée pour estimer le taux d’effusion
Te (équation 11). La vitesse d’écoulement moyenne v quant à elle, résulte de plusieurs
paramètres tels que la densité, la viscosité des laves, la valeur de la pente, la largeur et
l’épaisseur de la coulée (équation 10).
𝑣 = 𝜌𝑔𝑠𝑖𝑛𝛼
2𝜂𝐻2 (10
𝑇𝑒 = 2
3𝑣𝑎𝐻 (11)
Avec 𝜌 la densité des laves, 𝑔 l’accélération de gravité, H l’épaisseur de la coulée, a la largeur
de la coulée et 𝛼 l’angle de la pente.
38
La Figure 25 nous permet d’avoir les intervalles de pente dans lesquels ont évolué les coulées
de laves venant des évents de Bitungulu et de Munigi. Nous utilisons les moyennes de ces
intervalles de pente pour calculer les vitesses d’écoulement et les taux d’effusion. Précisons que
les champs de nos deux coulées (Munigi et Bitungulu) se situe entre 0 et 12° de pente.
IV.3.1. La vitesse d’écoulement des laves de Munigi et Bitungulu en 2002
Pour plus de précision, nous avons calculé les moyennes du logarithme de viscosité des laves
émises à Munigi et Bitungulu considérant l’intervalle de température allant de 1200°C à
1000°C. Pour chacune de ces deux coulées, nous avons eu différentes valeurs du logarithme de
viscosité à différentes températures. Nous en avons ainsi dégagé les moyennes respectives.
Figure 25 : Pentes du champ du volcan Nyiragongo
39
Celles-ci sont de 2,63 Pas pour la coulée de Munigi et 2,67 Pas pour celle de Bitungulu. 2441
kg/m3 est la seule valeur moyenne de densité urilisée dans ce calcul pour les deux coulées
(Munigi et Bitungulu).
Coulée
de laves
Densité ρ
(Kg/m3)
Acc.
Gravité
g (m/s2)
Logη (Pas) Epaisseur
de coulée
H (m)
Vitesse d’écoulement (m/s) en fonction
de la pente (α)
α< 2° 2°≤α<7° 7°≤α<12°
Munigi 2441
9,81 2,64
1,5 2,17
5,37
10,05
Bitungulu 2441
9,81 2,68
1,5 1,97
4,87
9,12
Tableau 9 : Vitesses d’écoulement des laves venant des évents de Munigi et Bitungulu en 2002
Le tableau 9 présente les résultats de calcul de vitesse d’écoulement des laves de l’évent de
Munigi et de Bitungulu. Il en ressort qu’en 2002, les laves venant de l’évent de Munigi coulaient
avec des vitesses moyennes de 2,17 m/s (7,82 km/h), 5,37 m/s (19,31 km/h) et 10,05 m/s (36,18
km/h) pour respectivement des pentes α<2°, 2°≤α<7° et 7°≤α<12°. La vitesse moyenne
d’écoulement des laves de Munigi était alors de 6 m/s, soit 21 km/h. Par ailleurs, les laves
venant de l’évent de Bitungulu avaient des vitesses de 1,97 m/s (7,09 km/h), 4,87 m/s (17,52
km/h) et 9,12 m/s (32, 82 km/h) pour les mêmes intervalles de pente α<2°, 2°≤α<7° et
7°≤α<12°. En moyenne, la vitesse des laves de Bitungulu était de 5 m/s (19 km/s). Ainsi, les
vitesses d’écoulement des laves venant de Munigi étaient légèrement supérieures à celles de
Bitungulu. Ceci est tout à fait normal étant donné que les laves venant de Bitungulu étaient plus
visqueuses que celles de Munigi.
Viscosité
(Logη)
Variation de vitesse d’écoulement sur différentes pentes (α)
Viscosité
(Logη)
Variation de vitesse d’écoulement sur différentes pentes (α)
α<2° 2°≤α<7° 7°≤α<12° α<2° 2°≤α<7° 7°≤α<12°
1,5 29,82 66,45 125,24 2,8 1,49 3,33 6,28
1,6 23,68 52,78 99,48 2,9 1,19 2,65 4,99
1,7 18,82 41,93 79,03 3 0,94 2,10 3,96
1,8 14,95 33,31 62,77 3,1 0,75 1,67 3,15
1,9 11,87 26,45 49,86 3,2 0,59 1,33 2,50
2 9,43 21,01 39,60 3,3 0,47 1,05 1,98
2,1 7,49 16,69 31,46 3,4 0,38 0,84 1,58
2,2 5,95 13,26 24,99 3,5 0,30 0,66 1,25
2,3 4,73 10,53 19,85 3,6 0,24 0,53 0,99
2,4 3,75 8,37 15,77 3,7 0,19 0,42 0,79
2,5 2,98 6,64 12,52 3,8 0,15 0,33 0,63
2,6 2,37 5,28 9,95 3,9 0,12 0,26 0,50
2,7 1,88 4,19 7,90 4 0,09 0,21 0,40 Tableau 10 : Influence de la variation de la viscosité (Logη) sur la vitesse d’écoulement des laves du Nyiragongo
40
Le tableau 10 ainsi que la figure 26 montrent comment la viscosité influence l’écoulement des
laves venant de ces deux évents sur différents niveaux topographiques (pentes). Nous pouvons
lire dans le tableau 12 que plus la viscosité diminue, plus son influence sur la vitesse
d’écoulement augmente sensiblement. Par ailleurs, la figure 26 suggère qu’à partir de 3 Pa.s du
logarithme de viscosité, la vitesse d’écoulement de laves venant des évents de Munigi et
Bitungulu devient nulle. Or, les tableaux 18 et 19 (en annexe) montrent que 3 Pas du logarithme
de viscosité est atteint à environ 1060°C de température. Ceci suggère alors que la température
à l’écoulement des laves de Munigi et Bitungulu de 2002 variait entre 1200°C et 1100°C.
En termes de moyennes sur toutes les pentes considérées, la vitesse moyenne d’écoulement des
laves venant de l’évent de Munigi en 2002 était d’environ 6 m/s. Quant aux laves venant de
l’évent de Bitungulu, ells coulaient avec une vitesse moyenne d’environ 5 m/s sur toutes les
pentes considérées.
Les évents de Munigi et de Bitungulu sont respectivement à 2,5 km et 8 km des limites
administratives de la partie Nord de la ville de Goma (Fig. 3 et 25). Nous considérons que les
coulées de laves faisaient un mouvement rectiligne uniforme car la pente moyenne et
l’accélération de pésanteur sont déjà prises en compte dans le calcul de la vitesse d’écoulement.
L’équation (12) nous permet alors de calculer le temps nécessaire pour que les laves venant des
évents de Munigi et Bitungulu atteignent la ville en cas d’éruption.
Figure 26 : Aperçu de l’influence de la viscosité (Logη) sur la vitesse d’écoulement des laves du Nyiragongo
d = v*t (12)
Avec d : la distance ; v : la vitesse d’écoulement et t : le temps.
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
Logη 1,5
1,6
1,7
1,8
1,9 2
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9 3
3,1
3,2
3,3
3,4
3,5
3,6
3,7
3,8
3,9
Vit
esse
d'é
cou
lem
ent
(m/s
)
Log [viscosité] (Pas)
Relation viscosité-vitesse
vitesse (α<2) vitesse (2≤α<7) vitesse (7≤α<12)
41
Ainsi, dans des conditions similaires à celles de 2002, une éruption qui proviendrait de l’évent
éruptif de Munigi atteindrait les limites administratives actuelles de la ville de Goma en 7
minutes après le début de l’éruption. Dans les mêmes conditions, une coulée venant de l’évent
de Bitungulu commencerait à détruire la ville de Goma dans les 25 minutes qui suivent le début
de l’éruption.
IV.3.2. Le taux d’effusion des laves de Munigi et Bitungulu en 2002
Coulée Largeur de
coulée a
(m)
Epaisseur
de coulée H
(m)
Taux d’effusion q (m3/s) sur différentes pentes α
α< 2° 2°≤α<7° 7°≤α<12°
Munigi 300 1,5 651,73 1609,87 3015,11
Bitungulu 250 1,5 492,68 1216,98 2279,27 Tableau 11 : Valeurs du taux d’effusion des laves sur différentes pentes en 2002
La lecture du tableau 11 suggère que les coulées de laves venant de l’évent éruptif de Munigi
avaient des valeurs du taux d’effusion supérieures à celles de Bitungulu ; ce qui est tout à fait
normal car les laves de Munigi étaient moins visqueuses que celles de Bitungulu (tableaux 18
et 19 en annexe). Les moyennes de taux d’effusion sont 1758 m3/s et 1329 m3/s pour les coulées
venant respectivement de Munigi et Bitungulu.
Ces valeurs de vitesse d’écoulement et de taux d’effusion sont en conformité avec les données
de terrain, notamment la longueur des coulées. En effet, bien que la coulée de Bitungulu ait fait
un long trajet, soit 10 km contre 8 km pour celle de Munigi, dans les mêmes conditions
environnementales de surface, la coulée venant de Munigi devrait être plus longue que celle de
Bitungulu. Cette dernière a d’abord fait environ 8 km de distance avant d’atteindre la ville et
affronter ses obstacles. La coulée de Munigi a quant à elle, débuté presque dans la ville (Fig. 3
et 25). Elle a donc fait tout son trajet en affrontant différents obstacles, notamment des structures
telles que les maisons, les clôtures, etc ; ce qui justifie même le fait qu’elle se soit un peu élargie
plus que d’autres coulées de la même éruption.
42
V. INFLUENCE DE LA VISCOSITE, DU TAUX D’EFFUSION ET DE LA DENSITE
SUR LA PROPAGATION DES COULEES DE LAVES DU VOLCAN NYIRAGONGO
L’activité volcanique induit plusieurs phénomènes qui ont un impact sur l’environnement, les
populations et les infrastructures. Dans les zones volcaniques, il est alors d’une importance
capitale pour les autorités politico-administratives d’avoir à disposition des cartes d’aléas
volcaniques qui guident leurs décisions relatives à l’occupation et à l’utilisation du sol ainsi
qu’à la planification des urgences. Les cartes d’aléas volcaniques représentent les zones
géographiques susceptibles d’être affectées par des évènements volcaniques dommageables tels
que les coulées de laves et les projections des tephras. Pour ce faire, les modèles de simulation
sont les mieux indiqués pour élaborer ces cartes d’aléas (Damiani et al., 2006).
Dans la suite, nous utilisons le modèle de simulation de coulées de laves probabiliste, Q-
LAVHA (Mossoux et al., 2016), qui contient également un modèle thermo-rhéologique nommé
FLOWGO (Harris et Rawland, 2001) pour contraindre la longueur de propagation de la coulée
de lave simulée. Q-LAVHA et FLOWGO permettent d’évaluer l’influence des résultats des
paramètres calculés au chapitre IV, sections IV.1.1, IV.2 et IV.3.2 de ce travail, sur la manière
dont se propagent les coulées de laves le long du flanc sud du volcan Nyiragongo. Ces
paramètres sont la viscosité, le taux d’effusion et la densité.
V.1. Paramètres d’entrée de Q-LAVHA encodés dans ce travail
Pour faire des cartes de propagation des coulées de laves, Q-LAVHA utilise un certain nombre
de paramètres, notamment :
- L’évent éruptif : La position géographique de sortie de laves à la surface doit au
préalable être définie. Cette position est généralement un point ou une ligne selon le cas.
Ces deux cas permettent, à la fois, de simuler une coulée issue respectivement d’un
évent ou d’une fissure bien définie.
- L’épaisseur (Hc) et le facteur de correction (Hp) : Le facteur Hc représente la hauteur de
la coulée. Pour corriger les dépressions topographiques, ce modèle propose un facteur
de correction (Hp) plus élevé que Hc et qui est appliqué si le pixel source est entouré de
huit pixels élevés que Hc ne peut pas dépasser. Ce facteur permet également à la
simulation de la coulée de remplir les dépressions et de poursuivre sa propagation.
- La longueur maximum : La fixation de la longueur de coulée simulée est complexe
généralement à cause du manque des paramètres qu’il faut (taux d’effusion, viscosité,
43
taux de refroidissement, dynamique de propagation, etc.). Mossoux et al., (2016)
proposent des alternatives : 1) soit fixer la longueur maximum à partir des données
historiques de longueurs atteintes par les coulées du volcan étudié ; 2) soit définir la
longueur en se basant sur le modèle unidimensionnel FLOWGO (Harris et Rowland,
2001) qui fait intervenir les paramètres thermo-rhéologiques.
- La coulée de laves réelle : Connaissant la longueur maximum, on utilise la coulée de
laves réelle pour évaluer les autres paramètres. Cette évaluation sera basée sur les
valeurs de l’indice de précision IP (fitness index) obtenues en sortie à l’issue de
différents tests de simulation. La surface de chevauchement (IPvrai positif) entre la coulée
réelle et la coulée simulée est divisée par la surface totale couverte par les deux coulées
(Eq. 13).
𝐼𝑃(vrai positif) =𝐴𝑠⋂𝐴𝑟
𝐴𝑠⋃𝐴𝑟 (13)
Avec As et Ar qui sont respectivement la surface de coulée de laves simulée et la surface de
coulée réelle.
Cependant, pour interpréter correctement le résultat de la simulation et pour son utilisation
efficace dans la gestion des risques, il important d’évaluer si le décalage entre le débit simulé
et le débit réel est causé par la surestimation (IPfaux positif) et la sous-estimation (IPfaux négatif) de
la zone inondée par la simulation.
𝐼𝑃(𝑓𝑎𝑢𝑥 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑓) = 𝐴𝑠 − (𝐴𝑠 ∩ 𝐴𝑟)
𝐴𝑠 ∪ 𝐴𝑟 (14)
𝐼𝑃(𝑓𝑎𝑢𝑥 𝑛é𝑔𝑎𝑡𝑖𝑓) = 𝐴𝑟 − (𝐴𝑠 ∩ 𝐴𝑟)
𝐴𝑠 ∪ 𝐴𝑟 (15)
- Le taux d’effusion : Ce paramètre définit la quantité de laves fluide qui s’écoule par
unité de temps
- La viscosité : Ce paramètre, aussi important comme le taux d’effusion, détermine le
degré de fluidité des laves. Il influence la superficie et la longueur des coulées de laves.
- La topographie : C’est grâce à ce paramètre que Q-LAVHA calcule la probabilité de
propagation de la lave du pixel central (sortie de lave) à un des huit pixels qui l’entoure,
proportionnellement à la différence d’altitude. Dans le cadre de ce travail, nous utilisons
SRTM1.arcsec (30m de résolution spatiale).
44
- Le nombre d’itérations : Ce paramètre détermine le nombre de fois que la simulation est
réalisée pour un même point donné, ce qui permet de calculer la valeur de probabilité
d’invasion pour chaque pixel. Un nombre minimum d’itération est donc nécessaire pour
obtenir un résultat statistiquement représentatif.
V.2. Choix de la simulation de la propagation de la coulée de laves étudiée
Dans le cadre de ce travail, nous simulons uniquement la coulée de laves venant de l’évent
éruptif de Munigi. Quelques raisons motivent ce choix, notamment (1) le souci de limiter la
complexité du scénario de simulation pour garantir l’obtention des résultats et leur
interprétation complète, dans le temps imparti ; (2) l’intérêt que présente l’étude de cette coulée.
En effet, de toutes les coulées de 2002, celle de Munigi est la plus au sud, traversant la ville de
Goma.
Cependant, avant d’analyser l’influence de la viscosité, du taux d’effusion et de la densité sur
la propagation des coulées de laves venant de l’évent éruptif de Munigi, nous avons d’abord
analysé la sensibilité des principaux paramètres d’entrée de Q-LAVHA dans cette zone. Cette
approche nous a permis d’avoir les paramètres optima pour la zone.
Paramètres d’entrée
- MNT
- Position de l’évent éruptif
- Epaisseur de la coulée (Hc) et
facteur de correction (Hp)
- Longueur maximum de la
coulée
- Coulée réelle
- Taux d’effusion
- Viscosité
- Fraction des cristaux dans les
laves
- Température des laves à
l’éruption
- Densité des laves
- Fractions des vacuoles dans les
laves
- Vitesse du vent
- Température de l’air
Q-LAVHA
Sortie
Carte de
coulée
simulée
Figure 27 : Paramètres d’entrée encodés dans le cadre de ce travail et sortie de Q-LAVHA. Les paramètres par défaut sont donnés dans le tableau 16 (en annexe)
45
V.3. Analyse de la sensibilité des paramètres d’entrée de Q-LAVHA
V.3.1. Analyse de la sensibilité de l’épaisseur des coulées (Hc) et du facteur de correction (Hp)
La coulée de laves qui est partie de l’évent éruptif de Munigi en janvier 2002 fait 8000 ± 500
m de longueur. En fixant cette valeur de longueur, le modèle de simulation devient purement
probabiliste. Il est alors possible d’évaluer un optimum de valeur pour l’épaisseur de la coulée
(Hc) d’une part, et le facteur de correction (Hp) d’autre part. Dans un premier temps, nous avons
d’abord fixé Hp à 10 m pour évaluer la sensibilité de Hc. Nous avons ainsi obtenu la meilleur
valeur de IP(vrai positif) à Hc= 1,5 m, qui est son optimum. Ensuite, nous avons fixé Hc à son
optimum pour évaluer Hp et obtenir son optimum à Hp= 7 m. Les figures 28A et 28B
représentent le comportement des trois composantes de l’indice de précision (IPvrai positif, IPfaux
positif et IPfaux négatif) pour respectivement les paramètres Hc et Hp. Par ailleurs, les figures 28C et
28D illustrent les cartes de probabilité d’inondation par les laves pour les deux valeurs
respectives de Hc et Hp.
Figure 28 : Analyse de la sensibilité des paramètres Hc et Hp
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Ind
ice
de
pré
cisi
on
(IP
)
Epaisseur de la coulée (Hc)
IP (vrai positif) IP (faux positif)
IP (faux négatif)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
2,5 3
3,5 4
4,5 5
5,5 6
6,5 7
7,5 8
8,5 9
9,5 10Fi
tnes
s In
dex
(FI
)
Facteur de correction Hp (m)
IP (vrai posititif) IP(faux positif)
IP (faux négatif)
A B
C D
46
V.3.2. Analyse de la sensibilité de la longueur maximum de la coulée
En fixant les optimums de l’épaisseur (Hc) et du facteur de correction (Hp) trouvés ci-dessus,
nous avons analysé la sensibilité de la longueur maximum de la coulée. La figure 29A
représente les composantes de l’indice de précision pour différentes valeurs de la longueur de
la coulée. Le meilleur indice de précision (IP) est obtenu pour la longueur maximum égale à
5500 m. La figure 29B est l’illustration de la carte de simulation obtenue pour l’optimum de la
longueur.
V. 3.3. Analyse de la sensibilité des paramètres avancés de FLOWGO
En activant les paramètres avancés de FLOWGO, nous avons utilisé les valeurs des paramètres
spécifiques au volcan Nyiragongo que nous avons calculés dans ce travail (la densité et la
vésicularité) d’une part, et les paramètres par défaut d’autre part. Ces paramètres par défaut
sont présentés dans le tableau 16 (en annexe). Par l’introduction des paramètres avancés, nous
constatons une très légère baisse de l’indice de précision (IPvrai positif) d’environ 0,01 par rapport
à la valeur de IP(vrai positif) juste avant leur introduction. Parmi les paramètres spécifiques, nous
avons analysé la sensibilité de la densité. Il en ressort que l’optimum de densité pour la coulée
de Munigi est 2591 kg/m3 (Fig. 31).
Figure 29 : Analyse de la sensibilité de la longueur maximum
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
45
00
50
00
55
00
60
00
65
00
70
00
75
00
80
00
90
00
95
00
10
00
0
Ind
ice
de
pré
cisi
on
(IP
)
Longueur maximum (m)
IP (vrai positif) IP (faux positif) IP (faux négatif)
A B
47
V.3.4. Analyse de la sensibilité du nombre d’itérations
Nous avons analysé également la sensibilité du nombre d’itérations. Le nombre d’itérations
pour lequel nous avons obtenu le meilleur indice de précision (FI) est 1500. Les figures 32A et
32B représentent la variation de FI et la carte de carte de coulée simulée correspondante.
Figure 31 : Analyse de la sensibilité du nombre d’itérations
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
2141 2191 2241 2291 2341 2391 2441 2491 2541 2591
Ind
ice
de
pré
cisi
on
(IP
)
Densité (kg/m3)
Sensibilité densité
IP (vrai positif) IP (faux positif) IP (faux négatif)
Figure 30 : Analyse de la sensibilité de la densité de laves
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
10
00
11
00
12
00
13
00
14
00
15
00
16
00
17
00
18
00
19
00
20
00
Ind
ice
de
pré
cisi
on
(IP
)
Nombre d'itérations
IP (vrai positif) IP (faux positif) Ip (faux négatif)
B A
48
V.4. Analyse de l’influence de la viscosité, du taux d’effusion et de la densité sur la
superficie et la longueur des coulées de l’évent éruptif de Munigi
a. Influence de la viscosité des laves
Pour rester cohérent avec les résultats précédents que nous avons trouvés dans cette étude
(section IV.1), nous avons évalué l’influence de la viscosité sur la propagation des coulées à
partir des valeurs moyennes de viscosité trouvées tous les 10°C de diminution de la température,
entre 1200°C et 1000°C, pour la coulée de Munigi (tableau 11). Nous remarquons ici le rôle
important que joue la viscosité des laves sur la superficie et la longueur de propagation des
coulées. En effet, la superficie et la longueur de propagation de coulée augmentent toutes deux
avec la diminution de la viscosité (Fig. 33 et 34). La superficie passe d’environ 3,5 km2 pour
3,75 Pas de logarithme de viscosité à environ 4,5 km2 pour 1,7 Pas, soit une moyenne d’environ
1 km2 d’augmentation de superficie. La longueur, quant à elle, passe d’environ 3,2 km à environ
3,9 km, soit une augmentation d’environ 0,7 km.
Température (°C) Logη (Pas) Température (°C) Logη (Pas)
1200 1,7 1090 2,68
1190 1,77 1080 2,79
1180 1,85 1070 2,89
1170 1,94 1060 3,01
1160 2,02 1050 3,12
1150 2,11 1040 3,24
1140 2,2 1030 3,36
1130 2,29 1020 3,49
1120 2,38 1010 3,62
1110 2,48 1000 3,75
1100 2,58
Tableau 12 : Valeurs utilisées pour analyser l’influence de la viscosité sur la propagation des coulées de Munigi
2,5
3
3,5
4
4,5
5
1,7
0
1,7
8
1,8
6
1,9
4
2,0
3
2,1
1
2,2
0
2,2
9
2,3
9
2,4
8
2,5
8
2,6
9
2,7
9
2,9
0
3,0
1
3,1
3
3,2
4
3,3
7
3,4
9
3,6
2
3,7
6
Sup
erfi
cie
de
cou
lée
(km
2)
Logarithme de viscosité (Pas)
Viscosité-superficie
Figure 32 : Influence de la viscosité sur la superficie de la coulée de laves de Munigi
49
b. Influence du taux d’effusion des laves
En vue d’une analyse cohérente avec les valeurs du taux d’effusion que nous eus précédemment
pour la coulée de Munigi (tableau 11), nous avons fait varier à la hausse les valeurs du taux
d’effusion de 200 m3/s partant de 651 m3/s, valeur minimum du tableau 11. Les figure 35 et 36
montre comment varient la superficie et la longueur de la coulée pour une augmentation du taux
d’effusion de 200 m3/s. On peut lire sur ces figures que la superficie et la longueur de coulée
augmentent proportionnellement avec le taux d’effusion. La superficie passe d’environ 2,5 km2
pour 651 m3/s de taux d’effusion à environ 5,5 km2 pour 3051 m3/s, soit une augmentation
d’environ 3 km2 de superficie. Entre les mêmes valeurs du taux d’effusion, la longueur passe
d’environ 2,7 km à environ 4,3 km, soit environ 1,6 km d’augmentation.
2,5
2,7
2,9
3,1
3,3
3,5
3,7
3,9
4,1
1,7
0
1,7
8
1,8
6
1,9
4
2,0
3
2,1
1
2,2
0
2,2
9
2,3
9
2,4
8
2,5
8
2,6
9
2,7
9
2,9
0
3,0
1
3,1
3
3,2
4
3,3
7
3,4
9
3,6
2
3,7
6
Lon
gueu
r d
e co
ulé
e (k
m)
Logarithme de viscosité (Pas)
Viscosité-longueur
Figure 33 : Influence de la viscosité sur la longueur de la coulée de laves de Munigi
0
1
2
3
4
5
6
65
1
85
1
10
51
12
51
14
51
16
51
18
51
20
51
22
51
24
51
26
51
28
51
30
51
Sup
erfi
cie
de
cou
lée
(km
2)
Taux d'effusion (m3/s)
Taux d'effusion-superficie
Figure 34 : Influence du taux d’effusion sur la superficie de la coulée de Munigi
50
c. Influence de la densité des laves
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
65
1
85
1
10
51
12
51
14
51
16
51
18
51
20
51
22
51
24
51
26
51
28
51
30
51
Lon
gueu
r d
e co
ulé
e (k
m)
Taux d'effusion (m3/s)
Taux d'effusion-longueur
Figure 35 : Influence du taux d’effusion sur la longueur de coulée de laves de Munigi
3,6
3,8
4
4,2
4,4
4,6
4,8
21
41
21
91
22
41
22
91
23
41
23
41
24
41
24
91
25
41
25
91
Sup
erfi
cie
de
cou
lée
(km
2)
Densité de laves (kg/m3)
Densité-superficie
Figure 36 : Influence de la densité des laves sur la superficie de la coulée de laves de Munigi
3
3,2
3,4
3,6
3,8
4
21
41
21
91
22
41
22
91
23
41
23
41
24
41
24
91
25
41
25
91
Lon
gueu
r d
es la
ves
(km
)
Densité des laves (kg/m3)
Densité-longueur
Figure 37 : Influence de la densité sur la longueur de la coulée de laves de Munigi
Pour analyser l’influence de la densité
sur la longueur et la superficie de
coulées, nous avons varier de 50
kg/m3 la densité entre 2141 kg/m3 et
2591 kg/m3, sachant que la densité
moyenne que nous avons calculée
pour les laves que nous étudions est
2441 kg/m3. Il en résulte que, comme
le taux d’effusion, la superficie et la
longueur de coulée augmentent toutes
deux avec l’augmentation de la
densité des laves (Fig. 37 et 38). La
superficie passe d’environ 3,9 km2
pour 2141 kg/m3 à environ 4,5 km2
pour 2591 kg/m3, soit 0,6 km2 pour
450 kg/m3 d’augmentation de la
densité. Parallèlement, la longueur
maximum évolue d’environ 3,3 km à
3,8 km. Cependant, nous remarquons
une oscillation à la fois dans
l’évolution de la superficie et de la
longueur en fonction de la densité.
51
VI. DISCUSSION ET INTERPRETATION DES RESULTATS
La paragenèse minérale des laves du volcan Nyiragongo émises en 1977, 2002 et 2016-présent
est essentiellement constituée de la néphéline et du clinopyroxène. L’olivine, la leucite et la
melilite y sont moins abondantes. Ces résultats ne sont pas différents de ceux présentés dans les
travaux antérieurs sur les laves du volcan Nyiragongo (e.g. Sahama, 1968). Toutes ces roches
tombent dans la catégorie des foïdites, roches sous-saturées en silice et très alcalines tel que
réaffirmé récemment par Santo et al. (2003) et Barette et al., (2017). Les corrélations
géochimiques faites suggèrent une légère évolution magmatique par cristallisation fractionnée
pour les laves de 2016-présent et 1977 et par contamination par l’encaissant pour les laves de
2002. Ceci parait normal au regard du fait que les évents éruptifs de 2002 sont localisés à une
certaine distance de l’édifice volcanique principal. Le magma aurait ainsi traversé différentes
formations lithologiques avant d’arriver à la surface. D’ailleurs, les travaux de Wauthier et al.,
(2012) suggèrent que le scénario probable pour l’éruption du volcan Nyiragongo de 2002 est
que le magma était resté dix mois dans le réservoir avant l’éruption au regard des séismes
précurseurs de longue période. Ainsi, durant les dix mois le magma se contaminerait de plus en
plus.
Nos résultats suggèrent que la viscosité des laves du volcan Nyiragongo évolue de manière
décroissante dans le temps. Les laves de l’éruption de 1977 sont les plus visqueuses, puis celles
de 2002 et 2016-présent. Cette viscosité élevée des laves de 1977 (5 Pa.s < Logη < 12 Pa.s)
aurait joué pour minimiser le risque. En effet, la coulée de 1977 s’est étendue sur seulement 7
km de longueur alors que la pente était forte et sans obstacles, et n’a donc pas atteint la ville de
Goma (Fig. 25). Par contre, la faible viscosité des laves de l’éruption de 2002 (1,5 Pas < Logη
≤ 4 Pas) semble avoir été le facteur central de la gravité du risque en ville de Goma. En effet,
les coulées des évents de Munigi et Bitungulu ont respectivement fait près de 8 km et 10 km de
longueur alors que sur des pentes faibles et affrontant les obstacles des infrastructures urbaines
de Goma. Les valeurs du logarithme de viscosité que nous avons trouvées dans cette étude pour
les laves de 2002 sont proches de celles trouvées par Giordano et al., (2007).
Les vitesses moyennes d’écoulement des laves de 2002 venant des évents de Munigi et
Bitungulu sont respectivement 6 m/s, soit 21 km/h et 5 m/s soit 19 km/h. Ces chiffres reflètent
la réalité. Sans être précis, les travaux de Favali et al. (2009) ont suggéré que la vitesse
d’écoulement des laves de 2002 était de quelques dizaines de km/h. Par ailleurs, Komorowski
et al. (2002/2003) ont estimé entre 20 et 60 km/h la vitesse d’écoulement de laves de l’évent du
Shaheru en 2002. Signalons que cette estimation est uniquement basée sur le témoignage verbal
52
des habitants du village de Kibati, en aval Est de l’évent de Shaheru (Fig. 25). La figure 26
suggère qu’à une valeur du logarithme de viscosité égale à 3 Pa.s, la vitesse d’écoulement des
laves venant des évents éruptifs de Munigi et Bitungulu est nulle. Or, les tableaux 18 et 19 (en
annexe) montrent bien que la valeur du logarithme de viscosité de 3 Pa.s pour ces laves est
atteinte à environ 1060°C. Cette information conduit à dire que la température à l’écoulement
des laves de Munigi et Bitungulu variait entre 1200°C et 1100°C. Ajoutons que les moyennes
du taux d’effusion de laves de 2002 étaient respectivement de 1758 m3/s et 1329 m3/s pour les
coulées de Munigi et Bitungulu.
L’analyse de sensibilité des paramètres d’entrée de Q-LAVHA suggèrent que le décalage entre
la coulée simulée et la coulée réelle est causée par la surestimation, notamment des paramètres
épaisseur et longueur maximum de la coulée. Cette réalité est cohérente avec les travaux de
Mossoux et al., (2016).
La tendance globale des cartes de coulée simulée que nous avons trouvées dans ce travail est
identique aux résultats des travaux de Syavulisembo (2013) et Favalli et al., (2009), en dépit du
fait que nous avons utilisé des modèles de simulation différents.
L’analyse de l’influence de la viscosité, du taux d’effusion et de la densité sur la propagation
de la coulée de Munigi montre une grande influence de ces paramètres sur la superficie et la
longueur de la coulée simulée. La viscosité est inversement proportionnelle à la superficie et la
longueur. Par contre, la superficie et la longueur de la coulée augmentent proportionnellement
avec le taux d’effusion et la densité des laves.
53
VII. CONCLUSION GENERALE
Ce travail fait suite à plusieurs études sur les laves du volcan Nyiragongo qui ont débuté depuis
l’époque coloniale. Au-delà des analyses géochimiques et pétrographique réalisées sur les laves
de ce volcan depuis plusieurs décennies, l’objectif de ce travail était d’utiliser les données
géochimiques et pétrographiques pour calculer la viscosité et la densité de ces laves et ainsi
apprécier l’influence de ces paramètres sur la vitesse d’écoulement, le taux d’effusion des laves
et la propagation des coulées sur les flancs.
Sachant que le magma est un mélange liquide-solide-gaz, nous avons calculé la viscosité de
deux première phases (liquide-solide) car au cours de l’éruption, la phase gazeuse est supposée
s’être déjà échappée. Ainsi, nous avons calculé la viscosité sèche du liquide magmatique en
utilisant le modèle développé par Giordano et al. (2008) grâce aux données géochimiques en
éléments majeurs des échantillons de roches du volcan Nyiragongo émises lors des éruptions
de 1977, 2002 et 2016-présent. Les données de différentes proportions des cristaux dans les
lames minces nous ont permis de calculer la viscosité des solides en suspension dans le magma
avant d’apprécier leur influence sur la viscosité du magma tout entier. Nous avons, par la suite,
utilisé les valeurs de viscosité et densité pour calculer la vitesse d’écoulement et le taux
d’effusion des laves des évents éruptifs de Munigi et Bitungulu de 2002. Les valeurs de la
viscosité, du taux d’effusion et de la densité, spécifiques à la coulée de Munigi de 2002, ont été
intégrés dans le logiciel Q-LAVHA pour voir leur influence sur la propagation des coulées de
laves en aval Sud de cet évent éruptif.
Toutes les laves que nous avons échantillonnées sont des foïdites très alcalines (Fig. 13 et 14),
comme d’ailleurs l’avaient déjà signalé les études antérieures. Ces laves se caractérisent par de
faibles teneurs en magnésium, témoin qu’elles ne sont pas issues de magmas primaires.
S’agissant de la viscosité, les laves de 2016-présent se caractérisent par des valeurs du
logarithme de viscosité situées entre 1,5 et 4 Pas (1,5 Pas < Logη ≤ 4 Pas). Pour ces laves, une
diminution de température de 50°C entrainait une augmentation du logarithme de viscosité
d’environ 0,5 Pas (Fig.21). Ainsi, en moyenne le logarithme de la viscosité des laves du volcan
Nyiragongo émises en 2016-présent est de 2,71 Pas.
Comparativement aux laves de 2016-présent, la viscosité des laves de 2002 est plus oscillante,
même si elle varie dans le même intervalle que les laves de 2016-présent (1,5 Pas < Logη ≤ 4
Pas). La moyenne du logarithme de viscosité des laves de 2002 est légèrement inférieure à celle
de 2016-présent, soit 2,65 Pas.
54
De trois catégories de laves qui ont fait l’objet de ce travail, les laves du volcan Nyiragongo
émises en 1977 sont les plus visqueuses, avec une moyenne du logarithme de viscosité égale à
7,8 Pas. Signalons que toutes ces valeurs de viscosité ont été calculées dans l’intervalle de
températures allant de 1200°C à 1000°C. Ainsi, la viscosité des laves du volcan Nyiragongo
affiche une évolution décroissante considérant les éruptions de 1977, 2002 et 2016-présent,
même si les laves de 2016-présent donnent une valeur moyenne de viscosité légèrement
supérieure à celle des laves de 2002. Ce petit décalage peut être dû au fait que nos échantillons
de 2016-présent sont des boules de laves projetées à la deuxième plateforme du cratère du
volcan Nyiragongo alors que la coulée se faisait à la 3ème plateforme (section I.6.1.a. de ce
travail). Les échantillons de 2002 quant à eux, sont issus de coulées au sens strict. Cette
différence de dynamique de mise en place de ces échantillons peut jouer sur la composition
chimique et par conséquent sur la viscosité. Il convient de noter que les moyennes de viscosité
données ci-dessus pour ces trois catégories de laves émanent d’un total de 700 valeurs du
logarithme de viscosité calculées à tous les 10°C de diminution de la température, entre 1200°C
et 1000°C, et dont 385 valeurs sont présentées dans les tableaux 13, 14 et 15 (en annexe).
L’influence des cristaux en suspension dans les laves émises par le volcan Nyiragongo en 1977,
2002 et 2016-présent sur la viscosité du magma était très faible au regard du tableau 5 qui
présente les fractions de cristaux dans les lames minces et les valeurs de viscosité relative
correspondantes. Cependant, le nombre réduit d’échantillons qui ont fait l’objet de cette analyse
microscopique quantitative (tableau 1 et 5) ne permet pas d’établir une relation mathématique
entre la viscosité du liquide magmatique et celle des cristaux en suspension.
En plus de l’évaluation de l’influence de la viscosité et du taux d’effusion sur la propagation
des coulées, la connaissance des valeurs de la vitesse et de la durée d’écoulement des laves,
calculées toutes sur base des algorithmes mathématiques claires sont parmi les nouveautés
qu’apporte ce travail à l’analyse de l’aléa « coulée de laves » sur le flanc Sud du volcan
Nyiragongo. En effet, nous avons calculé ces paramètres pour les coulées de 2002 venant
respectivement des évents éruptifs de Munigi et Bitungulu. Les vitesses d’écoulement
moyennes dans les champs respectifs de deux évents sont 6 m/s (21 km/h) pour les laves de
Munigi et 5 m/s (19 km/h) pour les laves de Bitungulu. L’évaluation de l’influence de la
viscosité sur la vitesse d’écoulement des laves de Munigi et de Bitungulu montre qu’à environ
3 Pas du logarithme de viscosité, la vitesse d’écoulement est nulle (Fig.26). Les tableaux 18 et
19 (en annexe) montrent que 3 Pas du logarithme de viscosité est attaint à environ 1060°C de
temperature. Nous en déduisons donc que la temperature à l’écoulement des laves de Munigi et
55
Bitungulu variait entre 1200°C et 1100°C. Par ailleurs, les taux d’effusion dans les deux champs
de coulees respectifs sont 1758 m3/s et 1329 m3/s.
Il en découle alors que dans des conditions similaires à celles de 2002, une éruption qui
proviendrait de l’évent de Munigi pourrait atteindre les limites administratives actuelles de la
ville de Goma en 7 minutes après le déclenchement de l’éruption. Dans des conditions
identiques, une coulée de laves partant de l’évent de Bitungulu pourrait commencer à détruire
la ville de Goma dans les 25 minutes qui suivent le début de l’éruption.
Nous avons également évalué l’influence de la viscosité, du taux d’effusion et de la densité sur
la propagation de la coulée de laves de Munigi en utilisant le logiciel Q-LAVHA. Ces trois
paramètres influencent fortement la superficie et la longueur de la zone couverte par la coulée
de laves. En effet, pour la viscosité, nous avons considéré 21 valeurs situées entre 1,7 Pas et
3,75 Pas (tableau 12), en référence aux valeurs calculées à la section IV.1.1.2 (tableau 18 en
annexe). Il en résulte que la superficie passe d’environ 3,5 km2 pour 3,75 Pas de logarithme de
viscosité à environ 4,5 km2 pour 1,7 Pas, soit une moyenne d’environ 1 km2 d’augmentation de
superficie pour environ 2 Pas de diminution de la viscosité (Fig. 33). La longueur, quant à elle,
évolue d’environ 3,2 km à environ 3,9 km, soit une augmentation d’environ 0,7 km (Fig. 34).
Pour le taux d’effusion, nous avons utilisé des intervalles de 200 m3/s entre 651 m3/s et 3051
m3/s en référence aux valeurs calculées à la section IV.3.2 (tableau 11). Les résultats suggèrent
une augmentation globale de la superficie de 3 km2 pour 2400 m3/s d’augmentation du taux
d’effusion (Fig. 35). Dans les mêmes conditions, la longueur elle, augmente d’environ 1,6 km
(Fig. 36).
L’évaluation de l’influence de la densité s’est faite pour des intervalles de 50 kg/m3 entre 2141
kg/m3 et 2591 kg/m3 en référence à la valeur moyenne de densité de laves de la coulée de
Munigi qui est de 2441 kg/m3 (section IV.2). Pour une moyenne globale de 450 kg/m3 la
superficie et la longueur de la coulée augmentent de 0,6 km2 et 0,5 km respectivement (Fig. 37
et 38).
56
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B05411.
Wright, T. I. & Fiske, R. S., 1970, Origin of the Differentiated and Hybrid Lavas of Kilauea Volcano,
Hawaii, Journal of Petrology, Vol. 12, Part 1, pp1 – 65.
61
ANNEXES
a
Echantillon Paramètre B Paramètre C Log à 1200°C Log à 1180°C Log à 1160°C Log à 1140°C Log à 1120°C Log à 1100°C Log à 1080°C Log à 1060°C Log à 1040°C Log à 1020°C Log à 1000°C
NY17-012 5086,798173 660,759587 1,712675547 1,870775928 2,037065488 2,212197411 2,396896241 2,591967909 2,798311479 3,016933012 3,248961965 3,495670711 3,758497879
NY17-021 5117,95171 660,4210061 1,748405137 1,907339582 2,074502801 2,25055084 2,436211387 2,632293827 2,839701037 3,059443286 3,292654693 3,540612807 3,804762015
NY17-023 5109,029525 660,9961182 1,741878203 1,900763237 2,067880615 2,24388717 2,429511518 2,625564144 2,832949227 3,05267859 3,285888201 3,533857823 3,798034508
NY17-019 5051,301749 660,8239021 1,66946615 1,826488463 1,991644791 2,165583974 2,349025744 2,542770684 2,747711903 2,964848809 3,195303401 3,440339663 3,70138676
NY17-014 5104,96619 657,2065473 1,707669969 1,864938666 2,030316155 2,204446167 2,388042423 2,581898413 2,78689886 3,004033217 3,234411645 3,479283988 3,740062467
NY17-016 4996,792346 666,042522 1,64213835 1,799507421 1,965083938 2,139527173 2,323568947 2,518023894 2,723801518 2,941920416 3,173525141 3,419906288 3,682524563
NY17-010 5100,60157 662,8002607 1,74548656 1,904825681 2,072440011 2,248991392 2,435214176 2,631925433 2,840036941 3,060569314 3,294668741 3,543626912 3,808904866
NY17-001 6189,010559 656,1880552 3,027032387 3,217216091 3,417192833 3,627739004 3,849715291 4,084078442 4,331895045 4,59435776 4,872804516 5,168741318 5,483869499
NY17-015 5010,931004 663,9013221 1,643226044 1,800195666 1,96532911 2,139280267 2,322774778 2,516620148 2,721717629 2,93907623 3,169829319 3,415254387 3,676796718
NY17-022 5158,409989 659,7655443 1,793078497 1,953007972 2,121210719 2,298345758 2,485144011 2,682418384 2,891075594 3,112130103 3,34672061 3,596129673 3,861807167
NY17-009. 5237,74468 663,5236229 1,920534321 2,084453965 2,256894709 2,438538719 2,630142969 2,832549792 3,046699255 3,27364376 3,514565341 3,770796254 4,043843629
NY17-011. 5148,92645 660,5510178 1,787538188 1,947486357 2,115717179 2,292891109 2,479740741 2,677080927 2,885820664 3,10697709 3,341692057 3,591251857 3,857110797
NY17-007. 5244,578791 663,3240626 1,927380083 2,091431684 2,264009034 2,445794488 2,637545213 2,840103728 3,054410284 3,281517452 3,522607417 3,779012559 4,05224009
NY17-002. 5316,733537 662,3653446 2,008729634 2,174640136 2,349162268 2,532984377 2,726870181 2,931669373 3,148330073 3,377913498 3,621611353 3,880766516 4,156897798
NY17-006 5121,709415 657,6839997 1,731870359 1,889842042 2,055963779 2,230882986 2,415317514 2,6100655 2,816016909 3,034167135 3,265633089 3,511672322 3,773705889
Moyenne 5199,699046 661,0901942 1,853807295 2,015527526 2,185627562 2,364776056 2,553714742 2,753268706 2,964358428 3,188013978 3,425391832 3,677794872 3,94669631
Tableau 13 : Valeurs calculées des paramètres B, C et différentes viscosités en fonction de la température pour les laves de 2016-
présent
b
Echantillon Paramètre B Paramètre C Log à 1200°C Log à 1180°C Log à 1160°C Log à 1140°C Log à 1120°C Log à 1100°C Log à 1080°C Log à 1060°C Log à 1040°C Log à 1020°C Log à 1000°C
NY17-189 5065,140584 669,0145667 1,750040242 1,910758541 2,07989157 2,258117952 2,446191292 2,644950839 2,855333999 3,078391121 3,315303037 3,567401968 3,836196595
NY17-207 5066,034744 667,8516537 1,742051356 1,902328109 2,07098372 2,248692864 2,436204644 2,634353152 2,844069871 3,066398316 3,302511401 3,553732137 3,821558438
NY17-206 5068,4501 663,5452993 1,711561143 1,870191173 2,037067564 2,212850505 2,398272588 2,594149014 2,801389577 3,021012789 3,254162623 3,502128446 3,76636887
NY17-184 5151,147638 667,8904213 1,848070243 2,011055651 2,182561951 2,363275289 2,553957511 2,755456902 2,968720798 3,194810484 3,434918854 3,690391467 3,962751771
NY17-150 5031,139805 664,8540985 1,675534022 1,833513249 1,999718998 2,174811022 2,359521559 2,554665569 2,761152756 2,980001745 3,21235689 3,459508288 3,722915746
NY17-193 5041,691039 669,9580276 1,728241005 1,888596164 2,057357422 2,235203564 2,42288848 2,621251842 2,831231671 3,053879165 3,290376299 3,542056816 3,810431397
NY17-205 5024,369367 660,7601415 1,63581976 1,791980036 1,956229006 2,129211836 2,311644184 2,504322089 2,708133586 2,924072391 3,153254104 3,396935485 3,656537514
NY17-191 5035,483919 669,1278517 1,714035804 1,873858699 2,042050685 2,219286806 2,406316707 2,603975237 2,813194906 3,035020597 3,270627018 3,521339509 3,788658991
NY17-181 5075,722214 660,1457226 1,69431999 1,851834937 2,01750226 2,191971675 2,375963824 2,570280223 2,775814935 2,993568323 3,224663334 3,470364868 3,732102941
NY17-192 5073,482 668,5508268 1,756777567 1,917572627 2,086781329 2,265081784 2,453226986 2,652055439 2,862503657 3,085620909 3,322586715 3,574731711 3,843562643
NY17-183. 5103,533402 669,0732601 1,798256811 1,960217272 2,130658152 2,310263422 2,499792639 2,700091683 2,912105375 3,136892386 3,375642912 3,629699756 3,900583597
NY17-188. 4557,767621 700,6387626 1,35108281 1,507951147 1,673387296 1,848112898 2,032932976 2,228748339 2,436570262 2,657537957 2,892939466 3,144236782 3,413096247
NY17-187. 5047,581203 664,1242529 1,690242981 1,848448959 2,014885448 2,190211875 2,375160047 2,57054436 2,777273785 2,996366011 3,228964194 3,476356918 3,740002069
NY17-208. 5036,850358 662,6933819 1,665980773 1,82328632 1,988760332 2,163056018 2,346898143 2,541093099 2,746540734 2,964248289 3,195346915 3,441111331 3,702983351
NY17-190. 5025,573319 658,0190243 1,616491573 1,771627149 1,934769919 2,106556232 2,287691703 2,478960895 2,681238688 2,895503651 3,122853878 3,364525807 3,621916722
NY17-148. 5078,242744 665,1897052 1,736429842 1,89602232 2,063928959 2,240816841 2,427426371 2,624581638 2,833202581 3,054319346 3,28908929 3,538817253 3,804979815
Ny17-126 5076,229056 658,7746806 1,684427909 1,841421844 2,0065268 2,180388022 2,363721063 2,557321622 2,762077094 2,978980164 3,209144908 3,453825928 3,714441233
Moyenne 5032,84936 667,0712751 1,694080225 1,852980247 2,020180083 2,196347565 2,38222416 2,578635408 2,786503193 3,006860214 3,240867167 3,489833204 3,755240467
Tableau 14 : Valeurs calculées des paramètres B, C et différentes viscosités en fonction de la température pour les laves de 2002
c
Echantillon Paramètre B Paramètre C Log à 1200°C Log à 1180°C Log à 1160°C Log à 1140°C Log à 1120°C Log à 1100°C Log à 1080°C Log à 1060°C Log à 1040°C Log à 1020°C Log à 1000°C
NY17-145 4952,957462 921,6188361 4,432819485 4,770912744 5,135451503 5,529664884 5,957330038 6,422893552 6,931626638 7,489825586 8,105073671 8,786587701 9,545682898
NY17-144. 6115,467884 935,2965686 6,823310131 7,262685629 7,73737336 8,251808574 8,81120174 9,421715653 10,09069343 10,82695529 11,64118964 12,54647531 13,55898947
Ny17-146 5076,229056 927,7609206 4,760097621 5,114606567 5,497182142 5,911294795 6,361011737 6,851130967 7,387353131 7,976504263 8,626827916 9,348373263 10,15351811
Moyenne 5381,551467 928,2254418 5,338742412 5,716068313 6,123335668 6,564256085 7,043181171 7,565246724 8,136557733 8,76442838 9,457697074 10,22714543 11,08606349
Tableau 15 : Valeurs calculées des paramètres B, C et différentes viscosités en fonction de la température pour les laves de 1977
d
Paramètre Symbole Valeur Unité Source
Taux d’effusion Te 1758 m3/s Calculé
Dimension de la coulée
Rapport
largeur/hauteur
- 200 - Calculé
Constante de vélocité
Gravité g 9,81 m2/s -
Paramètres de viscosité
Viscosité η 437 Pa.s Calculé
Constante a a 0.04 K-1 (Dragoni, 1989) cité
par Mossoux et
al.(2016)
Constante b b 0.01 Pa
Constante c c 0.08 K-1
Paramètres de radiation
Constante de
Stephan-Boltzman
σ 5.67E-08 Wm-2K-2 -
Emissivité de basalte 0.95 - (Cordonnier et al.
2014), cité par
Mossoux et al. (2016)
Paramètre de conductivité
Conductivité
thermique de la lave
klava 2.5 Wm-1K-1
Température à la base
de la couche basale
Tbase 500 °C Harris per.com, cité
par Mossoux et al.
(2016)
Conductivité thermique de la lave
Température à
l’éruption
Terupt 1140 °C (Coppola et Cigolini,
2013) cité par
Mossoux et al. (2016) Température de la
croûte
Tcrust 550 °C
Offset Tcrust et Tcore - 160 °C (Harris et Rawland,
2001), cité par
Mossoux et al. (2016)
Constante d d -0.16 - -
Densité et vésicularité
Densité de roche
équivalent
ΡDRE 2441 kg/m3 Calculé
Vésicularité Φb 0.25 - Calculé
Paramètres conventionnels
Vitesse du vent U 5 m/s (Harris et Rawland,
2001), cité par
Mossoux et al. (2016)
e
Tableau 16 : Paramètres utilisés pour la simulation dans ce travail, Rouge : Paramètres spécifiques calculés, Noir : Paramètres
par défaut
Tableau 17 : Paramètres optima pour la simulation de la coulée de Munigi de 2002
Température de l’air Tair 20 °C (Harris et Rawland,
2001), cité par
Mossoux et al. (2016)
Friction U-U2 Ch 0.0036 - (Harris et Rawland,
2001), cité par
Mossoux et al. (2016)
Densité de l’air ρair 0.4412 Kg/m3 (Harris et Rawland,
2001), cité par
Mossoux et al. (2016)
Capacité de la chaleur
spécifique de l’air
Cpair 1099 J kg-1K-1 (Harris et Rawland,
2001), cité par
Mossoux et al. (2016)
Paramètres des cristaux
Fraction des cristaux ϕ 0.041 - Calculé
Taux de
cristallisation
df/dt 0.0027 - (Pouclet, 1976)
Chaleur latente de la
cristallisation
L 350000 J/kg (Harris et Rawland,
2001), cité par
Mossoux et al. (2016)
Inverse de la
concentration
maximum des
cristaux
R 1.51 - (Harris et Rawland,
2001), cité par
Mossoux et al. (2016)
Paramètre Symbole Valeur Unité
Epaisseur de coulée Hc 1,5 m
Facteur de correction
topographique
Hp
7 m
Taux d’effusion Te 2312 m3/s
Viscosité Log η 1.69 Pa.s
Densité (de roche équivalent) :
DRE
ρ 2591 Kg/m3
Longueur maximum L 5500 m
Nombre d’itérations - 1500 -
f
Echantillon Paramètre B Paramètre C Logh à 1200°C Logh à 1180°C Logh à 1160°C Logh à 1140°C Logh à 1120°C Logh à 1100°C Logh à 1080°C Logh à 1060°C Logh à 1040°C Logh à 1020°C Logh à 1000°C
NY17-206 5068,4501 663,5452993 1,711561143 1,870191173 2,037067564 2,212850505 2,398272588 2,594149014 2,801389577 3,021012789 3,254162623 3,502128446 3,76636887
NY17-205 5024,369367 660,7601415 1,63581976 1,791980036 1,956229006 2,129211836 2,311644184 2,504322089 2,708133586 2,924072391 3,153254104 3,396935485 3,656537514
NY17-192 5073,482 668,5508268 1,756777567 1,917572627 2,086781329 2,265081784 2,453226986 2,652055439 2,862503657 3,085620909 3,322586715 3,574731711 3,843562643
Moyennes 5055,433822 664,2854225 1,701386157 1,859914612 2,026692633 2,20238138 2,38771459 2,58350885 2,790675607 3,01023536 3,243334481 3,491265214 3,755489676
Tableau 18 : valeurs de viscosité spécifiques pour la coulée de Munigi de 2002
Echantillon Paramètre B Paramètre C Log à 1200°C Log à 1180°C Log à 1160°C Log à 1140°C Log à 1120°C Log à 1100°C Log à 1080°C Log à 1060°C Log à 1040°C Log à 1020°C Log à 1000°C
NY17-207 5066,034744 667,8516537 1,742051356 1,902328109 2,07098372 2,248692864 2,436204644 2,634353152 2,844069871 3,066398316 3,302511401 3,553732137 3,821558438
NY17-184 5151,147638 667,8904213 1,848070243 2,011055651 2,182561951 2,363275289 2,553957511 2,755456902 2,968720798 3,194810484 3,434918854 3,690391467 3,962751771
NY17-150 5031,139805 664,8540985 1,675534022 1,833513249 1,999718998 2,174811022 2,359521559 2,554665569 2,761152756 2,980001745 3,21235689 3,459508288 3,722915746
NY17-193 5041,691039 669,9580276 1,728241005 1,888596164 2,057357422 2,235203564 2,42288848 2,621251842 2,831231671 3,053879165 3,290376299 3,542056816 3,810431397
NY17-181 5075,722214 660,1457226 1,69431999 1,851834937 2,01750226 2,191971675 2,375963824 2,570280223 2,775814935 2,993568323 3,224663334 3,470364868 3,732102941
NY17-183. 5103,533402 669,0732601 1,798256811 1,960217272 2,130658152 2,310263422 2,499792639 2,700091683 2,912105375 3,136892386 3,375642912 3,629699756 3,900583597
NY17-208. 5036,850358 662,6933819 1,665980773 1,82328632 1,988760332 2,163056018 2,346898143 2,541093099 2,746540734 2,964248289 3,195346915 3,441111331 3,702983351
Moyennes 5072,302743 666,0666522 1,736064886 1,8958331 2,063934691 2,241039122 2,427889543 2,62531321 2,834233734 3,05568553 3,290830944 3,540980666 3,807618177
Tableau 19 : Valeurs de viscosité spécifiques pour la coulée de Bitungulu de 2002
