Geology, tectonics and post-2001 eruptive activity interpreted from high-spatial resolution satellite imagery : the case study of Merapi and Seremu volcanoes, Indonesia

par Akhmad Solikhin

Thèse de doctorat en Volcanologie

Sous la direction de Jean-Claude Thouret.

Soutenue le 16-03-2015

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Laboratoire Magmas et Volcans (laboratoire) et de (LMV) Laboratoire Magmas et volcans (laboratoire) .

Le président du jury était Andrew Harris.

Le jury était composé de Jean-Claude Thouret, Virginie Pinel, Jean Vandemeulebrouck.

Les rapporteurs étaient Jean-Louis Bourdier, John Pallister.

  • Titre traduit

    Géologie, tectonique et activité éruptive post-2001 interprétées à partir de l'imagerie satellite haute résolution : l'étude des volcans Merapi et Seremu, Indonésie


  • Résumé

    L’intérêt de la télédétection appliquée aux volcans actifs et potentiellement dangereux a été démontré depuis longtemps dans la mesure où cette technique a participé à l’amélioration de la compréhension des processus éruptifs et des aléas volcaniques, amélioration qui permet une réduction des risques volcaniques. Nous avons entrepris plusieurs études volcanologiques reposant sur l’usage d’images de moyenne et haute résolution spatiale, qu’elles soient optiques (IKONOS, Pléiades, GeoEye, Quickbird and SPOT5), radar (ALOS-PALSAR) ou bien thermiques (ASTER et MODIS «hot spot»). Associées à l’analyse de MNTs et de photographies aériennes acquises par un drone, ces études ont consisté à appliquer des techniques de télédétection sur le Semeru et le Merapi, deux des volcans composites les plus actifs et les plus densément peuplés de l’ile de Java en Indonésie. Cette recherche fondée sur la télédétection a permis de mettre en évidence des structures géologiques et tectoniques, d’identifier, de classer et de cartographier des dépôts éruptifs sur les deux volcans et a servi à améliorer l’évaluation des risques à la suite des grandes éruptions de 2002-2003 au Semeru et de 2010 au Merapi. Nous avons également initié une étude afin de comprendre les interactions entre l’activité éruptive et le contexte sismo-tectonique régional en utilisant l’analyse des données MODIS avec la méthode MODVOLC. Nous avons remis à jour la carte géologique du volcan Semeru en y associant des données issues de l’interprétation d’images HSR récentes, des photographies aériennes, l’analyse de MNTs et des observations de terrain, notamment dans le réseau hydrograhique qui convoie des lahars. Nous avons décrit l’histoire éruptive postérieure à 2001 au Semeru en incluant la grande éruption à l’origine des écoulements pyroclastiques (EPs) en 2002-2003 et les éruptions effusives de 2012-2014, qui constituent un phénomène rarement observé sur ce volcan. Le Semeru a produit un volume de 2.5 ± 0.5 106m3 de coulées de lave provenant du cratère sommital entre 2010 et 2014, ce qui peut annoncer, pour la première fois depuis 1967 ou 1941, une modification profonde du style éruptif de ce volcan. Au moment de terminer cette thèse, le dome-coulée situé dans le cratère Jonggring-Seloko continue à croître et les coulées de lave dépassent 2 km de longueur dans la cicatrice majeure en pente raide sur le flanc SE ; leurs fronts pourraient s’effondrer et produire des EPs dont le volume moyen pourrait excéder les valeurs de 3 à 6.5 million de m3 mesurées sur la période 1967-2007. Les écoulements futurs pourront déborder des parois de la cicatrice vers l’aval et se propager vers les vallées des flancs est et sud-ouest. L’épisode éruptif du 26 octobre au 23 novembre 2010 s’est avéré l’événement majeur de l’activité du Merapi depuis 1872. Notre interprétation des images HSR démontre qu’à l’issue des éruptions explosives, le sommet du Merapi a perdu un volume de 10 x 106m3 et la gorge de Gendol orientée SSE a été élargie jusqu’à mesurer 1.3 x 0.3 x 0.2 km. Le nouveau cratère élargi et profond inclut le dome post-2010, qui a été fracturé en 2013, tandis que ses parois verticales instables peuvent être fragilisées par les explosions mineures de 2013 et 2014. Nous avons identifié et cartographié les dépôts pyroclastiques et de lahar de 2010 en appliquant plusieurs méthodes de classification aux images optiques HSR et aux données polarisées de Radar à Synthèse d’Ouverture (RSO). Les résultats démontrent la capacité de l’imagerie satellitaire HSR à capturer l’extension et les impacts de dépôts immédiatement après une grande éruption et avant tout remaniement. Cette technique met en exergue l’utilité de l’imagerie haute résolution et des données radar pour les volcans en activité persistante dont l’accès est souvent rendu impossible. (...)


  • Résumé

    Remote sensing has long been recognized as a tool for analysis at active and hazardous volcanoes because it can augment our understanding of the processes that underlie volcanic activity so as enable us to apply this understanding to volcanic risk reduction. This thesis presents a volcanological study using High-Spatial Resolution optical images (IKONOS, Pléiades, GeoEye, Quickbird and SPOT5 satellites), radar data (ALOS-PALSAR sensor) and thermal (ASTER satellite and MODIS hot spot) images. In association with DEMs and low-altitude aerial photographs, remote sensing techniques have been applied for tracing the evolution of activity at Semeru and Merapi, two of the most active and densely populated volcanoes in Java, Indonesia. This remotely sensing-based study has unraveled structures, geological features and erupted deposits of both volcanoes and has improved the existing hazard assessment after their most recent eruptions. The thesis also presents the first advance towards deciphering possible interactions between regional tectonic earthquakes and renewed stages of eruptive activity of Merapi and Semeru volcanoes based on the analysis of volcanic hotspots detected by the MODVOLC technique. The geological map of Semeru is updated, including additional data derived from the interpretation of the most recent satellite images, aerial photographs, DEM analysis and fieldwork. The post-2001 eruptive activity at Semeru, including the large PDC-forming eruption in 2002-2003 and uncommon lava flow eruptions in 2010-2014 are investigated. The fact that Semeru has produced several lava flows from the central summit vent between 2010 and 2014 may herald a profound change in eruption style for the first time since at least 1967. At the time of writing, a dome-fed coulée in the Jonggring-Seloko crater continues to grow and lava flows are extending to distances of >2 km down Semeru's SE-scar; their fronts may collapse and produce large-volume pyroclastic density currents (PDCs), perhaps exceeding the average (1967-2007) volume range of 3 to 6.5 million m3. Future dome-collapse PDCs may travel farther down the main SE scar and can spill over its lowermost rims towards the southwest and eastward radiating drainage network. The 26 October-23 November 2010 eruption was the Merapi’s largest event since 1872 (it attained VEI=4). The interpretation of HSR images shows that due to the explosive eruptions, the summit area lost about 10 x 106m3 and the SSE-trending Gendol Breach enlarged to reach 1.3 x 0.3 x 0.2 km in size. The new, enlarged and deep summit crater including the 2010 lava dome is extremely unstable having been weakened by the post-2010 explosive events. This instability is a result of the steep Gendol Breach below the mouth of the crater and the steep and unstable crater walls. The 2010 Merapi pyroclastic and lahar deposits have been identified by applying several classification methods to HSR optical images and dual-polarization synthetic aperture radar (SAR) data. The results show the ability of remotely sensed data to capture the extent and impacts of pristine deposits shortly after emplacement and before any reworking, and highlight the purpose of using high-spatial resolution imagery and SAR data on persistently active volcanoes where access for field survey is often impossible. The 2010 tephra and PDC deposits covered ca. 26 km2 in two catchments of Gendol and Opak Rivers on Merapi’s south flank, i.e. 60-75% of the total PDC deposit area and a total bulk volume of 45 x 106m3. The tephra-fall deposit covered an area of ca. 1300 km2 with a volume range of 18-21 x 106m3. Volumes of these deposits were estimated using the areas determined from remote sensing data and deposit thickness measured in the field. (...)


  • Résumé

    Penginderaan jauh telah lama dikenal sebagai suatu alat untuk analisis di gunungapi aktif dan berbahaya karena dapat meningkatkan pemahaman kita tentang proses yang mendasari aktivitas gunung berapi sehingga memungkinkan kita untuk menerapkan pemahaman ini dalam pengurangan risiko erupsi gunungapi. Disertasi ini menyajikan studi vulkanologi menggunakan citra satelit optik resolusi tinggi (IKONOS, Pléiades, GeoEye, Quickbird dan SPOT5), data radar (ALOS-PALSAR sensor) dan citra termal (satelit ASTER dan hotspot MODIS). Dalam kaitannya dengan DEM dan foto udara, teknik penginderaan jauh telah diterapkan untuk melihat evolusi aktivitas di Semeru dan Merapi, dua gunung berapi yang paling aktif dengan kepadatan penduduk yang tinggi terletak di Pulau Jawa, Indonesia. Studi berbasis penginderaan jauh ini telah mengkaji struktur, fitur geologi dan material erupsi dari kedua gunungapi tersebut dan telah mempertajam penilaian bahaya yang ada setelah erupsi terkini. Disertasi ini juga menyajikan kemajuan awal dalam menafsirkan kemungkinan interaksi antara gempa tektonik regional dan aktivitas gunungapi Merapi dan Semeru berdasarkan analisis hotspot vulkanik yang terdeteksi oleh MODVOLC. Peta geologi Semeru telah diperbaharui dengan memasukkan data tambahan yang berasal dari interpretasi citra satelit terbaru, foto udara, analisis DEM dan data lapangan. Aktivitas erupsi pasca-2001 di Semeru, termasuk erupsi dengan aliran pirokastik (Pyroclastic Density Current/PDC) besar pada tahun 2002-2003 dan erupsi tidak biasa dengan aliran lava pada 2010-2014, telah dikaji. Fakta bahwa Semeru telah menghasilkan beberapa aliran lava dari kawah di puncak antara tahun 2010 dan 2014, mengindikasikan perubahan besar dalam gaya erupsi untuk pertama kalinya setidaknya sejak 1967. Pada saat penulisan disertasi ini, sebuah kubah lava (Coulée) di kawah Jonggring- Seloko terus tumbuj dan aliran lava yang memanjang hingga jarak >2 km arah tenggara Semeru; ujung lava kemungkinan dapat runtuh dan menghasilkan aliran piroklastik yang mungkin melebihi volume rata-rata (tahun 1967 hingga 2007) dalam kisaran 3-6.5 juta m3. Aliran piroklastik yang akan datang mungkin mengalir sepanjang gawir utama ke arah tenggara dan dapat menyebar melampaui lereng paling bawah ke arah barat daya dan ke arah timur menyebar ke jaringan drainase. Erupsi yang terjadi pada 26 Oktober-23 November 2010 adalah erupsi terbesar Merapi (mencapai VEI 4) sejak 1872. Interpretasi citra resolusi tinggi menunjukkan bahwa daerah puncak kehilangan batuannya sekitar 10 juta m3 akibat erupsi eksplosif. Erupsi juga memperbesar “Gendol Breach” dengan orientasi tenggara menjadi berukuran 1.3x0.3x0.2 km. Kawah puncak yang baru, diperbesar dan dalam, termasuk juga kubah lava tahun 2010 sangat tidak stabil dan telah diperlemah oleh beberapa erupsi eksplosif pasca-2010. Ketidakstabilan ini diakibatkan oleh curamnya Gendol Breach di bawah mulut kawah dan kondisi dinding kawah yang curam dan tidak stabil. Deposit piroklastik dan lahar diidentifikasi dengan menerapkan beberapa metode klasifikasi terhadap citra optik resolusi tinggi dan data dual-polarisasi Synthetic Aperture Radar (SAR). Hasilnya menunjukkan kemampuan data penginderaan jauh untuk merekam jangkauan dan dampak dari deposit murni sesaat setelah pengendapan dan sebelum proses erosi, serta menyoroti tujuan penggunaan citra resolusi tinggi dan data SAR di gunungapi sangat aktif dengan akses untuk survei lapangan sering kali tidak memungkinkan. Endapan tephra dan PDC menutupi area sekitar 26 km2 di dua DAS, Kali Gendol dan Opak, di sisi selatan Merapi, atau 60-75% dari total luas endapan PDC, dan total volume 45 juta m3. Deposit tephra jatuh menutupi area seluas sekitar 1.300 km2 dengan volume 18-21 juta m3. Volume endapan vulkanik ini diestimasi menggunakan informasi luas yang ditentukan dari data penginderaan jauh dan ketebalan yang diukur di lapangan. (...)

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