This research project on volcanic debris avalanches aims to provide a better understanding of the influence of the volume, fall height and topography on the deposit location and morphology. This will enable improvements in delineation of the areas at risk from volcanic debris avalanches, and improvements in management of a disaster should it occur. Undertaken to fulfil the requirements for a double degree (Geological Engineering and MSc in Hazard and Disaster Management) this work is the result of a collaboration between Polytechnic Institute LaSalle-Beauvais in France and the University of Canterbury in New Zealand. Following a brief introduction to the topic, statistical analyses of volcanic debris avalanche deposits are undertaken. Multiple variables analyses (Principal Components Analyses and Regressions) were carried out using a database of 298 volcanic debris avalanches derived from modification of Dufresne’s recent database. It was found that the volume has the main influence on the deposits rather than the fall height; the latter seems to have greater effect on avalanches of small volume. The topography into which the deposit is emplaced mainly determines its geometrical characteristics. These statistical results were compared with the results of laboratory-scale analogue modelling. A model similar to that used by Shea in 2005 provided data indicating similar trends of the influence of volume, fall height and topography on mass movement deposits at all scales. The final aspect of this project was a numerical simulation of a large debris avalanche from the north flank of the Taranaki volcano in the direction of the city of New Plymouth. The numerical code VolcFlow developed by Kelfoun in 2005 was used, after being tested against the laboratory experiments to verity its accuracy. The simulations showed that the Pouaki range protects the city of New Plymouth form major impacts from Taranaki collapses, but also indicated some potential problems with the hazard zoning and evacuation zones presently in place.

La caractérisation granulaire de dépôts hétérométriques organisés en paquets glissés implique une démarche systématique afin d'optimiser l'extraction de données et de les rendre comparables. La quantification des rapports structures-fractions granulaires a permis de mettre en évidence des cinématiques localisées, inscrites dans des cinématiques d'ordre I. Les rides de Tutupaca, le lobe distal du Pichu-Pichu, l'effondrement du Misti au Pérou; la levée latérale du Cheix et le charriage distal de Perrier aux Mt Dore ; les transformations de Meager au Canada, de la Qda San Lazaro au Pérou, de Pardines en France ont été quantifiés. Héritage volcanique, ségrégations granulaires, cataclases syn-tectoniques sont des précurseurs aux modifications matricielles, à l'origine des transformations distales en lahars. Les données ainsi comparées permettent de proposer des classifications sédimentologiques distinguant les effondrements proximaux des transformations par les fluides ( hydrothermaux, eau). Seules quelques équations regroupent l'ensemble de ces dépôts. / The sedimentology of heterogeneous granular deposits, such as debris avalanches deposits require a systematic method to describe and compare data. The relationships between the localized structures and granular distributions show that the localized granular kinematics follow with the larger kinematic structural order. Structures and sedimentology are studied and quantified at the following debris avalanche deposits: the ridged avalanche units at Tutupaca (s. Peru), the distal lobe of the Pichu-Pichu debris avalanche (Arequipa, Peru), a lateral levee of a deposit at Cheix (Sancy volcano, France), a thrusted distal lobe at Perrier (Mt Dore, France). Debris avalanche - lahar transformations are studied at Mt Meager (Canada), Qda San Lazaro (Misti, Peru), Pardines (Mt Dore, France). The inherited granular distribution, the granular segregation, the syn-tectonic cataclasis are precursor stages to the distal matrix transformations. Sedimentological classifications are produced that differentiate the proximal collapse from later transformations caused by fluids (gas, water). Some equations are common for these heterogeneous deposits.

Mount Meager est un complexe volcanique glaciaire en British Columbia (Canada). Il est connu pour ses glissements de terrain, dont celui de 2010 étant le plus grand glissement de terrain historique au Canada. Dans cette thèse, nous avons étudié les processus d'instabilités du volcan Mont Meager ainsi que les effets de la déglaciation en cours. Nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire, intégrant la cartographie géologique, géomorphologique et structurelle, du terrain et de la télédétection, pour caractériser l'activité glaciaire et les glissements de terrain au Mount Meager. Nous avons utilisé la photogrammétrie Structure from Motion (SfM) et la technologie Lidar pour produire des modèles numériques de terrain, et techniques InSAR pour surveiller le mouvement et la déformation des pentes du volcan. Nous avons appliqué la technique SfM à des photographies aériennes historiques pour documenter les activités des glaciers et des glissements de terrain au Mount Meager. Nous avons discuté un modèle de croissance et d'érosion d'un volcan en période glaciaire et interglaciaire, ainsi que la valeur scientifique et de vulgarisation de la reconstruction topographique 3D. Nous avons décrit les dépôts de glissement de terrain de 2010 à Mount Meager pour interpréter la dynamique de leur mise en place. Le glissement de terrain de 2010 s'est divisé en phases riches en eau et pauvres en eau, ayant des distances d'écoulement différentes et des dépôts distincts. Nous avons analysé des photographies aériennes historiques remontant à 1948, afin de documenter la déformation de la pente avant l'effondrement de 2010. Le glacier situé a proximité du pied de la pente a reculé durant les années précédents la rupture. Cette effondrement a évolué en quatre sous-effondrements, impliquant toute la séquence volcanique et le socle. Nous avons estimé 6 × 106 m3 d'eau dans la pente, ce qui a permis la séparation de la phase frontale riche en eau. Le volume total d'effondrement est 53 ± 3.8 × 106 m3. Nous avons identifié 27 grands (>5×105 m2) flancs instables au Mount Meager et calculé a ~1.3 km3 de récession des glaciers depuis 1987. Le flanc ouest de Plinth Peak et de la vallée de Devastation Creek se sont déplacés de -34±10 mm -36±10 mm, respectivement, dans un période de 24 jours pendant l'été 2016. L’effondrement de ces flancs pourrait avoir un impact important sur les infrastructures et les communautés en aval du volcan. La décompression résultant de l'édifice volcanique après l'effondrement du flanc ouest de Plinth Peak affecterait le champ de contrainte à une profondeur de 6 km et jusqu'à 4 MPa. Cette décompression soudaine pourrait mener des éruptions hydrothermales et magmatiques. Un important glissement de terrain pourrait donc avoir joué un rôle dans le déclenchement de l'éruption de 2360 cal BP. / Mount Meager is a glacier-clad volcanic complex in British Columbia, Canada. It is known for its landslides, of which the 2010 is the largest Canadian historical landslide. In this thesis we investigated slope instability processes at Mount Meager volcano and the effects of ongoing deglaciation. We used a variety of methods including field and remote, geological, geomorphological and structural mapping to characterize glacial and landslide activity at Mount Meager. We used Structure from Motion photogrammetry (SfM) and Lidar to produce digital surface models and InSAR to monitor slope deformation. We applied SfM to historic photography to document glacier and landslide activity at Mount Meager. We discussed a model of growth and erosion of a volcano in glacial and interglacial periods, and the scientific and dissemination value of historic 3D topographic reconstruction. We described the 2010 Mount Meager landslide deposit to interpret emplacement dynamics and kinematics. The 2010 landslide separated in water-rich and water-poor phases that had different runout and distinct deposits. We analyzed historic airphotos to constrain the slope deformation prior to the 2010 collapse. The glacier near the toe of the slope retreated in the failure lead up, the collapse evolved in four subfailures involving the whole volcanic sequence and some basement rocks. We estimated 6 × 106 m3 of water in the slope, that allowed the separation of the frontal water-rich phase. The total failure volume was 53 ± 3.8 × 106 m3. We identified 27 large (>5×105 m2) unstable slopes at Mount Meager and calculated ~1.3 km3 of ice loss since 1987. The west flank of Plinth peak and Devastation Creek valley moved up to -34±10 mm and -36±10 mm, respectively, over a 24-day period during the summer of 2016. The failure of these slopes could impact infrastructures and communities downstream of the volcano. The resulting decompression on the volcanic edifice after the failure of Plinth peak would affect the stress field to a depth of 6 km and up to 4 MPa. This sudden decompression could lead to hydrothermal or magmatic eruptions.

Les effondrements de flanc déclenchent de larges avalanches de débris et glissements de terrain, provoquant ainsi une modification de la pente du volcan et altérant le paysage. Les différents types de volcans subissent des effondrements de flanc lors de leur développement. Aux Philippines, par exemple, les volcans présentant des brèches sont les cônes, sub-cônes et volcans massifs. Les avalanches de débris affectent les édifices volcaniques et non-volcaniques ; leur étude constitue donc un enjeu primordial pour l’évaluation des risques naturels. Les dépôts d’avalanche de débris (DAD) présentent des structures de surface et internes, des morphologies et des textures pouvant être utilisées pour déterminer le type de transport, les mécanismes de déformation et les vitesses d’emplacement de l’avalanche de débris. Cependant, sur le terrain, les DAD sont souvent vastes et chaotiques, ainsi l’apport de la télédétection complète l’étude de terrain en apportant une vision d’ensemble de l’avalanche. Notre étude s’intéresse à la structure et morphologie des DAD par l’utilisation de modèles analogiques et en contexte naturel via l’étude du Mt Iriga et Guinsaugon aux Philippines et à travers d’autres sites dans le monde (Mt Meager, Canada ; Storegga Slide, Norvège). L’étude de la vitesse de mise en place, de la dynamique et des mécanismes de déformation des avalanches de débris s’est faite via la modélisation analogique. Il apparait ainsi que la formation de “hummocks” est un processus clé dans la structuration des DAD. Les “hummocks” sont des parties massives du volcan arrachées lors de l’avalanche de débris et qui se disloquent au fur et à mesure de son avancée. Cette dislocation des “hummocks” s’effectue via l’apparition de failles normales à fort pendage qui fusionnent avec les zones de cisaillement à faible pendage situées à la base du glissement. Les “hummocks” fournissent des informations sur les conditions de transport et la composition initiale de l’avalanche. Leur géométrie (taille et forme), leur structure interne et leur distribution spatiale sont des indicateurs de la vitesse du développement de l’avalanche. Ils permettent d’interpréter sa dynamique de mise en place. Les expériences analogiques utilisant une rampe courbée montrent le développement de zones d’accumulation et d’épaississement à l’endroit où les matériaux atteignent une surface de dépôt à faible pente. Les expériences avec des rampes rectilignes montrent de plus long glissement. L’extension de ces avalanches est accommodée par des structures en horst et graben ainsi qu’en transtension. Le dépôt consécutif à l’avalanche peut ê remobilisé lors d’effondrements secondaires. L’ensemble de ces expériences montre que la morphologie de la surface de glissement influence les mécanismes de mise en place, l’extension spatiale et la structure de l’avalanche. La cartographie structurale et morphologique acquise par télédétection ainsi que la description de caractéristiques récurrentes sur plusieurs DAD, difficiles d’accès et jusqu’ici non cartographiés (Süphan Dağı (Turkey), Cerro Pular-Pajonales (Argentina), and Tacna (Peru), a permis de préciser les scénarios, les causes et les facteurs de mise en place des DAD. La cartographie des DAD est une étape nécessaire pour retracer les évènements passés et estimer les risques naturels dans une zone spécifique. L’identification et la description des morphologies et structures des DAD devraient permettre la compréhension des mécanismes de mise en place de l’avalanche. / Flank collapse generates avalanches and large landslides that significantly change the shape of a volcano and alter the surrounding landscape. Most types of volcanoes experience flank collapse at some point during their development. In the Philippines, for example, the numerous volcanoes with breached edifices belong to the cone, subcone, and massif morphometric classes. Debris avalanches occur frequently on both volcanic and non-volcanic terrains making it an important geologic event to consider for hazard assessment. Debris avalanche deposits (DAD) preserve surface and internal structures, morphology, and texture that can be used to determine transport type, deformation history, causal mechanism, and emplacement kinematics. However, natural DAD are often too vast and chaotic-seeming in the field so that structural and morphological mapping by remote sensing is a good complement to studying them. This study describes and analyses recurrent structural and morphological features of analogue models and natural DAD at Mt Iriga and Guinsaugon (Philippines), and uses several other examples at Mt Meager (Canada), and Storegga Slide (Norway). The study explores the use of analogue models as landslide kinematics, dynamics, and emplacement and causal mechanism indicators. Hummocks are identified as a key structural element of DAD. Hummocks, a major DAD topographic feature, are formed as the mass in motion slides and evolves by progressive spreading and break up. Internally, high angle normal faults dissect hummocks and merge into low angle shear zones at the base of the slide zone. Hummock size distribution is related to lithology, initial position, and avalanche kinematics. Hummocks provide information on the transport conditions and initial composition of the landslide. Their geometry (size and shape), internal structures, and spatial distribution are kinematic indicators for landslides from development until emplacement and provide a framework for interpreting emplacement dynamics. Experiments with curved analogue ramps show the development of an area of accumulation and thickening, where accelerating materials reach a gently sloped depositional surface. Experiments with straight ramps show a longer slides with continued extension by horst and graben structures and transtensional grabens. A thickened mass is found to subsequently remobilise and advance by secondary collapse. This set of experiments show that failure and transport surface morphology can influence the emplacement mechanism, morphology, and avalanche runout. Structural and morphological mapping by remote sensing, and description of recurrent features at the remote and previously unmapped Süphan Dağı (Turkey), Cerro Pular-Pajonales (Argentina), and Tacna (Peru) DAD suggest scenarios, causes, triggering and emplacement mechanisms of these DAD. These are used to explain their avalanche kinematics and dynamics. Mapping DAD is a necessary step for identifying past events and existing hazards in specific areas. Identifying and describing the DAD structures and morphology will help understand the kinematics and dynamics of the emplaced avalanches.