Cette étude traite de la dynamique des éruptions volcaniques explosives, depuis les mécanismes de sub-surface jusqu’aux processus d’émission et de dispersion des pyroclastes. A cet effet un radar Doppler sol est utilisé (VOLDORAD), lequel renseigne sur la charge / vitesse des ejectas. Les données sont intégrées avec d’autres techniques géophysiques, et des modèles numériques sont développés afin de simuler les émissions pyroclastiques, générer des signaux radar synthétiques, pour finalement améliorer notre compréhension des processus qui leurs sont sous-jacents. L’Arenal (Costa Rica) est utilisé comme volcan cible, où de fréquentes éruptions de faible magnitude émettent des panaches de cendres et des projections balistiques jusqu’à quelques centaines de mètres au-dessus de l’évent. Dans un premier temps, nous combinons des données sismiques et radar afin d’explorer la relation entre les processus de conduit et les émissions pyroclastiques. Leurs interactions complexes sont interprétées via un modèle conceptuel, lequel décrit les fractures parsemant le bouchon de lave comme responsables du dégazage du système, et en retour des signaux sismiques et radar collectés (ces derniers dépendants de la charge en cendres des émissions de gaz). Par ailleurs, nous investiguons la dynamique des émissions pyroclastiques à travers l’étude de radargrammes Doppler. La distribution spatio-temporelle de la vitesse des ejectas indique l’existence de deux phénomènes aux dynamiques distinctes. Des modélisations numériques permettant la reconstruction de signaux synthétiques indiquent qu’il s’agit de l’émission simultanée de blocs balistiques et de panaches de cendres. Une procédure d’inversion de type Monte Carlo couplée d’un algorithme d’optimisation permet de retrouver les radargrammes synthétiques qui reproduisent au mieux ceux observés. Les résultats apportent des contraintes sur divers paramètres éruptifs, tels que les tailles, trajectoires, vitesses des ejectas et des gaz, ainsi que la vitesse / direction de dispersion des panaches de cendres par le vent. Enfin, nous discutons du potentiel des radars Doppler appliqués à la surveillance opérationnelle des émissions volcaniques. En particulier, la possibilité de quantifier les masses éjectées dans l’atmosphère ou retombant sur les flancs du volcan, fournit des paramètres éruptifs à la source pouvant alimenter les modèles de dispersion de panaches de cendres. / This study investigates the dynamics of explosive volcanic eruptions, from the sub-surface source mechanisms through to the emission dynamics and downwind dispersal of tephra. To this end, we use a ground-based Doppler radar (VOLDORAD) which informs on the loading / velocimetry of the expelled ejecta. Data are integrated with complementary geophysical techniques, and numerical models are developed to simulate pyroclastic emissions, generate synthetic radar data, and in turn enhance our understanding of the underlying dynamical processes. Arenal (Costa Rica) is used as a case study volcano, where frequent mildly-explosive eruptions commonly expel ash plumes and ballistic projections up to a few hundred meters above the vent. Firstly, we combine seismic and radar data to investigate the link between conduit processes and pyroclastic emissions. A conceptual model is proposed to account for their complex interplay, whereby fractures through a rigid lava cap control the system’s degassing, which in turn governs both the seismic and radar signals (the latter depending on the ash load carried by the gas). Secondly, we investigate the dynamics of pyroclastic emissions from the analysis of Doppler radargrams. Time-velocity distribution of the expelled tephra shows the signature of two distinct phenomena. Numerical modeling and computation of synthetic radargrams show that these are consistent with both ballistic projections and ash plume crossing the beam simultaneously, whose respective mass load can be derived. Inverse modeling using a nearneighborhood Monte Carlo procedure was used to find synthetic Doppler radargrams which best matched the observed ones. The results give constrains on eruptive parameters, such as the size, trajectory, exit velocities and source gas velocities of the ballistics, as well as the speed / direction of the ash cloud drifted by trade winds. Lastly, because Doppler radars are powerful tool for real-time allweather monitoring of volcanic activity, we address issues relative to the operational radar monitoring of ash plumes. In particular, the ability to remotely quantify the mass proportions of ejecta either falling on the slopes of the volcano or prone to be ejected into the atmosphere, gives source eruptive parameters which may feed volcanic ash dispersal models.

Plusieurs volcans andésitiques dans le monde connaissent des périodes d'activité en système ouvert pendant plusieurs années, décennies voire siècles, qui sont caractérisées par des manifestations éruptives persistantes d'intensité fluctuante et ponctuées de phases explosives violentes et dangereuses, souvent accompagnées d'écoulements pyroclastiques. La compréhension de la dynamique et de l'origine de ces paroxysmes en système ouvert est un enjeu majeur de la recherche volcanologique dans le but d'améliorer la surveillance de ce type d'activité. Le Tungurahua en Equateur est un excellent exemple pour étudier un système andésitique ouvert : entré en activité en 1999, le volcan a connu une phase paroxysmale en août 2006, avec l'émission d'un panache éruptif de 15 km de hauteur et la mise en place d'écoulements pyroclastiques. Les objectifs de cette thèse sont, à partir de l'étude du dépôt de retombée, d'explorer la dynamique d'un volcan andésitique fonctionnant en système ouvert en étudiant le cas du paroxysme explosif du Tungurahua et de développer une méthode de suivi haute-résolution des budgets éruptifs massiques, transposable à différentes phases éruptives et différents volcans. A l'aide d'une déconvolution automatique des distributions granulométriques bimodales du dépôt, deux sous-populations ont été caractérisées et quantifiées. Ces dernières reflètent la syn-sédimentation de particules grossières depuis le panache éruptif, et de particules fines depuis des nuages co-écoulements pyroclastiques. Cette analyse granulométrique couplée à l'étude de l'amincissement du dépôt indiquent un volume total minimum de 42×106 m3 et un panache de 16-18 km au dessus du cratère. Cette éruption est classée comme une VEI 3 de type subplinien. Un nouveau protocole d'analyses de type et densité de clastes révèle une distribution sigmoïdale des densités des particules vésiculées avec la granulométrie. Cette loi empirique permet de déterminer la charge massique de chaque classe de constituants latéralement dans le dépôt à partir des données de comptage de grains. L'intégration des lois de décroissance massique exponentielle et puissance de chaque classe de constituant dans le dépôt permet d'estimer leur masse totale. Ces budgets massiques indiquent une magnitude~3,5 et une intensité ~9,2. La faible masse de ponces acides (<0.4 wt.%) exclus une origine par mélange de magma. Une proportion de ~98 wt.% et la faible densité de produits juvéniles révèle le caractère magmatique de l'éruption et l'absence d'interactions phréato-magmatiques. Les xénoclastes témoignent d'une fragmentation et d'une érosion des 2 km supérieurs du conduit. Des analyses morphologiques de particules menées avec un outil automatique et innovant (Morphologi G3 de Malvern) montrent le caractère hautement vésiculé des particules juvéniles et la faible viscosité de la lave. L'explosivité élevée d'août 2006 apparaît comme une manifestation extrême d'un système ouvert alimenté par des injections irrégulières de magma andésitique profond. L'activité du Tungurahua depuis 1999 définit un système caractérisé par un conduit très ouvert, une lave peu visqueuse et un dégazage par le biais d'explosions stromboliennes de faibles à hautes intensités. La méthode de détermination des budgets éruptifs est un atout majeur pour le suivi et la surveillance des phases éruptives en système ouvert.

Cette étude traite de la dynamique des éruptions volcaniques explosives, depuis les mécanismes de sub-surface jusqu'aux processus d'émission et de dispersion des pyroclastes. A cet effet un radar Doppler sol est utilisé (VOLDORAD), lequel renseigne sur la charge / vitesse des ejectas. Les données sont intégrées avec d'autres techniques géophysiques, et des modèles numériques sont développés afin de simuler les émissions pyroclastiques, générer des signaux radar synthétiques, pour finalement améliorer notre compréhension des processus qui leurs sont sous-jacents. L'Arenal (Costa Rica) est utilisé comme volcan cible, où de fréquentes éruptions de faible magnitude émettent des panaches de cendres et des projections balistiques jusqu'à quelques centaines de mètres au-dessus de l'évent. Dans un premier temps, nous combinons des données sismiques et radar afin d'explorer la relation entre les processus de conduit et les émissions pyroclastiques. Leurs interactions complexes sont interprétées via un modèle conceptuel, lequel décrit les fractures parsemant le bouchon de lave comme responsables du dégazage du système, et en retour des signaux sismiques et radar collectés (ces derniers dépendants de la charge en cendres des émissions de gaz). Par ailleurs, nous investiguons la dynamique des émissions pyroclastiques à travers l'étude de radargrammes Doppler. La distribution spatio-temporelle de la vitesse des ejectas indique l'existence de deux phénomènes aux dynamiques distinctes. Des modélisations numériques permettant la reconstruction de signaux synthétiques indiquent qu'il s'agit de l'émission simultanée de blocs balistiques et de panaches de cendres. Une procédure d'inversion de type Monte Carlo couplée d'un algorithme d'optimisation permet de retrouver les radargrammes synthétiques qui reproduisent au mieux ceux observés. Les résultats apportent des contraintes sur divers paramètres éruptifs, tels que les tailles, trajectoires, vitesses des ejectas et des gaz, ainsi que la vitesse / direction de dispersion des panaches de cendres par le vent. Enfin, nous discutons du potentiel des radars Doppler appliqués à la surveillance opérationnelle des émissions volcaniques. En particulier, la possibilité de quantifier les masses éjectées dans l'atmosphère ou retombant sur les flancs du volcan, fournit des paramètres éruptifs à la source pouvant alimenter les modèles de dispersion de panaches de cendres.

Plusieurs volcans andésitiques dans le monde connaissent des périodes d’activité en système ouvert pendant plusieurs années, décennies voire siècles, qui sont caractérisées par des manifestations éruptives persistantes d’intensité fluctuante et ponctuées de phases explosives violentes et dangereuses, souvent accompagnées d’écoulements pyroclastiques. La compréhension de la dynamique et de l’origine de ces paroxysmes en système ouvert est un enjeu majeur de la recherche volcanologique dans le but d’améliorer la surveillance de ce type d’activité. Le Tungurahua en Equateur est un excellent exemple pour étudier un système andésitique ouvert : entré en activité en 1999, le volcan a connu une phase paroxysmale en août 2006, avec l’émission d’un panache éruptif de 15 km de hauteur et la mise en place d’écoulements pyroclastiques. Les objectifs de cette thèse sont, à partir de l’étude du dépôt de retombée, d’explorer la dynamique d’un volcan andésitique fonctionnant en système ouvert en étudiant le cas du paroxysme explosif du Tungurahua et de développer une méthode de suivi haute-résolution des budgets éruptifs massiques, transposable à différentes phases éruptives et différents volcans. A l’aide d’une déconvolution automatique des distributions granulométriques bimodales du dépôt, deux sous-populations ont été caractérisées et quantifiées. Ces dernières reflètent la syn-sédimentation de particules grossières depuis le panache éruptif, et de particules fines depuis des nuages co-écoulements pyroclastiques. Cette analyse granulométrique couplée à l’étude de l’amincissement du dépôt indiquent un volume total minimum de 42×106 m3 et un panache de 16-18 km au dessus du cratère. Cette éruption est classée comme une VEI 3 de type subplinien. Un nouveau protocole d’analyses de type et densité de clastes révèle une distribution sigmoïdale des densités des particules vésiculées avec la granulométrie. Cette loi empirique permet de déterminer la charge massique de chaque classe de constituants latéralement dans le dépôt à partir des données de comptage de grains. L’intégration des lois de décroissance massique exponentielle et puissance de chaque classe de constituant dans le dépôt permet d’estimer leur masse totale. Ces budgets massiques indiquent une magnitude~3,5 et une intensité ~9,2. La faible masse de ponces acides (<0.4 wt.%) exclus une origine par mélange de magma. Une proportion de ~98 wt.% et la faible densité de produits juvéniles révèle le caractère magmatique de l’éruption et l’absence d’interactions phréato-magmatiques. Les xénoclastes témoignent d’une fragmentation et d’une érosion des 2 km supérieurs du conduit. Des analyses morphologiques de particules menées avec un outil automatique et innovant (Morphologi G3 de Malvern) montrent le caractère hautement vésiculé des particules juvéniles et la faible viscosité de la lave. L’explosivité élevée d’août 2006 apparaît comme une manifestation extrême d’un système ouvert alimenté par des injections irrégulières de magma andésitique profond. L’activité du Tungurahua depuis 1999 définit un système caractérisé par un conduit très ouvert, une lave peu visqueuse et un dégazage par le biais d’explosions stromboliennes de faibles à hautes intensités. La méthode de détermination des budgets éruptifs est un atout majeur pour le suivi et la surveillance des phases éruptives en système ouvert. / Many andesitic volcanoes at subduction plate margins can experience in the course of their evolution periods of continuous eruption during years, decades, or centuries characterized by a fluctuation of the activity interrupted by explosive events of varying size and duration, with possible production of pyroclastic density currents. Magmatic activity lasts for long periods of time before violent explosive eruptions occur, which makes the forecasting of such events a real challenge. I focus on the case of Tungurahua, one of Ecuador’s most active volcanoes, which started an open-vent eruptive period in 1999. The paroxysmal phase occurred in August 2006 and resulted in a sustained eruption column associated with pyroclastic flows and surges. From the study of the tephra fall deposit, the aims of this work are to understand the origin and the dynamics of the August 2006 explosive paroxysmal phase and to develop a transposable method of high-resolution analysis of eruptive mass budgets. Based on a new grainsize deconvolution algorithm, two subpopulations of grains were distinguished, characterized and quantified in the bimodal distributions of the tephra fall deposit. These subpopulations result from the syn-deposition of coarse grains from the main volcanic plume and fine-grained ash elutriated from pyroclastic flows. A bulk minimum tephra volume ~42×106 m3 and a column height of 16-18 km above the vent are assessed. These data support a VEI 3 event of subplinian type. Detailed componentry counting and particle density analyses allow to propose a sigmoidal law to describe the particle density variations with grainsize of vesicular grains. This law is used to calculate the mass per unit area of the componentry classes laterally in the deposit, from the results of the componentry analyses. Integrating the mass decay rates of the componentries in the deposit, we infer their total mass. Results point to a mass magnitude of~3.5 and an intensity of ~9.2. The pumice mass fraction is far too small (< 0.4 %) to account for the high explosivity of the 2006 event. The high juvenile content in the deposit (~98 wt.%)supports a magmatic origin of the eruption, and no phreatic influence on the overall explosivity. The nature and content of non-magmatic material imply that fragmentation and erosional behaviour occurred in the upper ~2 km of the plumbing system. Morphological analyses performed with Morphologi G3 instrument (Malvern) show a high vesicularity of the products and a low viscosity of the lava. These results support an explosive event fed by a deep gas-rich andesitic reinjection, which would have incorporated a pocket of older differentiated magma and eroded the upper conduit during the sub-plinian event. Tungurahua activity describes a eruptive system characterized by an open-vent, a low lava viscosity and a degassing behaviour through strombolian explosions of weak to high intensity. The high-resolution mass-based approach reveals useful to decipher the origin of the violent 2006 paroxysm and has potential to improve magnitude determinations of ancient eruption by considering componentry mass instead of volume. It is also applicable for monitoring purposes in the context of on-going crises at many andesitic eruptive worldwide.