Thèse les Particules Angulaires Affectent-Elles la Formation des Dépôts de Téphra H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université Clermont Auvergne
École doctorale : Sciences Fondamentales
Laboratoire de recherche : Laboratoire Magmas et Volcans
Direction de la thèse : DAVID JESSOP ORCID 000000032382219X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-25T23:59:59

Les panaches volcaniques sont des écoulements turbulents multiphasiques composés de cendres pyroclastiques, de fragments de roches et de gaz volatils, qui se forment lors d'éruptions volcaniques explosives. Les panaches volcaniques peuvent être stables et injecter des cendres volcaniques dans l'atmosphère jusqu'à des dizaines de kilomètres d'altitude, où elles se dispersent en formant un nuage de cendres, ou être instables et subir un effondrement gravitationnel, produisant des courants de densité pyroclastiques.
L'ingrédient clé qui détermine la stabilité de la colonne éruptive est l'entraînement turbulent de l'air atmosphérique dans le panache, ce qui lui confère de la flottabilité. Les modèles classiques de colonnes éruptives supposent que le taux d'entraînement est d'environ 10 % du débit ascendant du panache (par ex., Woods, 2010) et que l'afflux d'air n'est affecté ni par les propriétés du mélange pyroclastique ni par les conditions à la source. En fait, l'ajout de particules a généralement été supposé ne contribuer qu'à la densité moyenne du panache (Carey et al., 1988; Sparks et al., 1991; Woods, 2010). Des études récentes ont montré que la présence de particules présentant certaines distributions granulométriques (DG) dans le panache peut affecter significativement le taux d'entraînement en raison de la flottabilité et de l'inertie ajoutées au mélange du panache (Jessop et Jellinek, 2014; Gilchrist et Jellinek, 2021). L'entraînement contrôle non seulement la stabilité du panache, mais aussi l'alimentation en matière du nuage en parapluie, qui se propage latéralement et, par conséquent, la sédimentation des particules et la formation d'un dépôt. Notre objectif est d'inférer le rôle de la morphologie des particules sur l'entraînement à partir de la structure de ces dépôts.
Le projet proposé utilisera des modèles analogiques à l'échelle de laboratoire (par exemple Carey et al., 1988; Sparks et al., 1991; Carazzo et Jellinek, 2012; Jessop, Gilchrist, et al., 2016; Gilchrist et Jellinek, 2021) pour mieux comprendre les processus mentionnés ci-dessus. Les expériences seront réalisées dans des cuves à stratification de densité en injectant un mélange d'eau et de particules bien triées à un débit fixe, à l'aide d'un dispositif composé d'une cuve cubique remplie d'eau avec une buse centrale permettant d'injecter un mélange particules/eau. Ce dispositif permet de contrôler les conditions à la source qui régissent la dynamique d'écoulement, à savoir la concentration en particules et la DG, le débit, ainsi que les conditions environnementales (par ex., la stratification). Grâce à un contrôle rigoureux des conditions à la source et des conditions environnementales, nous pourrons produire aussi bien des panaches ascendants que des fontaines en effondrement.
Nous sélectionnerons également les caractéristiques du mélange de particules (DG, densité, morphologie, concentration). Nous étudierons la structure des dépôts, qu'ils soient formés par sédimentation ou par effondrement du panache, à l'aide d'un collecteur placé au fond de la cuve avant le début de l'expérience, conformément à Sparks et al. (1991); Carey et al. (1988), en quantifiant le matériel collecté à l'aide de l'analyseur morphologique G3 du laboratoire d'analyse texturale. Les différences de structure des dépôts seront liées aux conditions à la source et aux processus au sein du panache en extrayant la hauteur et la forme du panache ascendant (voir fig. 1) et, potentiellement, par une modélisation simple. Jusqu'à présent, la plupart des études expérimentales ont utilisé des particules sphériques régulières. Or, les particules volcaniques sont anguleuses et irrégulières. Nous utiliserons du matériau volcanique naturel issu de l'éruption du volcan Mazama (Oregon, États-Unis), datant de 7 700 ans BP, des particules de verre sphériques régulières fabriquées industriellement, et des particules anguleuses fabriquées industriellement pour réaliser les expériences.

Volcanic plumes are turbulent, multiphase flows consisting of pyroclastic ash, rock fragments, and volatiles that form during explosive volcanic eruptions. Volcanic plumes may be stable and inject volcanic ash into the atmosphere to a height of many tens of kilometres, where it spreads out forming an ash cloud, or be unstable and undergo gravitational collapse, producing pyroclastic density currents. Though the effects of particle shape and density have been well studied in recent years, the effect of particle shape (i.e., spherity, angularity, irregularity) has not received much attention. This project aims to address this lack of knowledge by performing novel analogue experiments and comparing deposits in the laboratory with real-world examples.

This project combines scaled laboratory experiments, field campaigns, and reanalysis of field data to gain insights into these processes. Laboratory experiments will be conducted in density-stratified tanks, where a controlled mixture of water and well-sorted particles will be injected at a fixed rate. The experimental setup consists of a cuboidal tank with a central nozzle, allowing precise control over key
parameters:
- Source conditions (particle concentration, GSD, volumetric flow rate)
- Environmental conditions (e.g., stratification)
By adjusting these factors, we can generate either rising plumes or collapsing fountains (leading to PDC formation). The particle mixture characteristics (GSD, density, morphology, concentration) will also be systematically varied. To analyse deposition processes, we will collect sediment at the tank's base using pre-placed collectors (Carey et al., 1988). The collected material will be dried and analyzed post-experiment. Two types of particles will be used:
- Spherical glass beads (for controlled shape and density)
- Natural volcanic material from the 7700 BCE Mazama eruption (Oregon, USA), which shares a similar density with the glass beads but has an irregular morphology

By comparing these materials, we aim to understand how particle shape (from rounded to irregular) affects entrainment, plume dynamics, and deposit morphology.

Field Application
Using insights from these experiments, we will reinterpret field data to refine our understanding of eruption dynamics and deposit emplacement. If volcanic activity permits, we will apply these findings to real-time measurements of eruption column dynamics (e.g., mass flux and column height) and compare them with tephra sedimentation data obtained from optical disdrometers at Mount Etna. This will allow us to assess how sedimentation patterns vary with distance from the vent.

Nous recherchons un(e) candidat(e) doté(e) de solides compétences en analyse quantitative des données et d'une solide formation en sciences physiques. Une expérience préalable en expériences analogiques, en programmation ou en modélisation numérique serait appréciée, mais n'est pas obligatoire.