Un nouveau scénario de danger au Vésuve : impact thermique mortel des surtensions de nuage de cendres détachées en 79EC à Herculanum

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5622 (2023) Citer cet article

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Les courants de densité pyroclastiques dilués sont capables de causer d'énormes ravages et mortalités autour des volcans, et la température est un paramètre crucial pour évaluer leur pouvoir létal. L'analyse de réflectance sur le bois carbonisé de l'ancien Herculanum a permis une nouvelle reconstruction des événements thermiques qui ont affecté les bâtiments et les humains lors de l'éruption du Vésuve en 79 CE. Ici, nous montrons que le premier PDC entré dans la ville était un nuage de cendres de courte durée, avec des températures de 555 à 495 ° C, capable de provoquer la mort instantanée de personnes, tout en ne laissant que quelques décimètres de cendres au sol, ce que nous interprétons comme détaché des courants à haute concentration. Les courants pyroclastiques ultérieurs qui ont progressivement enterré la ville étaient principalement des PDC à plus forte concentration à des températures plus basses, entre 465 et 390 et 350–315 ° C. Le charbon de bois s'est avéré être le seul proxy capable d'enregistrer de multiples événements thermiques extrêmes éphémères, révélant ainsi pour la première fois l'impact thermique réel de l'éruption 79CE. L'impact mortel documenté pour le PDC dilué produit lors d'éruptions volcaniques anciennes et récentes suggère qu'un tel danger mérite une plus grande attention au Vésuve et ailleurs, en particulier le danger sous-estimé associé aux surtensions de nuages de cendres chaudes détachées, qui, bien que de courte durée, peuvent exposer les bâtiments à de graves dommages causés par la chaleur et des personnes à la mort.

Les courants de densité pyroclastiques dilués font partie des phénomènes volcaniques les plus meurtriers. Ce sont des courants pyroclastiques étreignant le sol (PDC) très turbulents, qui peuvent provenir de l'évent sous forme de surtensions diluées (en particulier lors d'éruptions phréatomagmatiques), ou ils peuvent être associés à des courants sous-jacents basaux confinés à la vallée, à forte concentration, desquels ils peuvent se détacher et se déplacer indépendamment, même à travers des topographies accidentées, ce qui rend leurs trajectoires hautement imprévisibles1,2,3. Les PDC dilués sont responsables de certaines des catastrophes volcaniques les plus meurtrières, comme celle survenue le 8 mai 1902 à St Pierre, en Martinique, où près de 30 000 personnes ont été tuées instantanément4,5,6, ou le 15 septembre 1991 à Mt Unzen, au Japon, qui a fait 44 morts7,8, ou le 5 novembre 2010 à Merapi, en Indonésie, où plus de 200 personnes sont mortes9,1 0.

Les principaux facteurs qui causent des pertes et des blessures causées par les PDC dilués proviennent d'une combinaison de (1) brûlures dues à leurs températures élevées11,12,13,14,15,16,17, (2) pression dynamique4,6 ; (3) blessures par gaz acides18, (4) asphyxie par inhalation de cendres14,19.

En raison de leur faible densité et de leur turbulence, les PDC dilués ont tendance à se mélanger rapidement avec l'air ambiant, dissipant rapidement leur température initiale, de sorte que les PDC rarement dilués sont associés à des températures élevées. En revanche, les PDC dilués enveloppant des flux à haute concentration, connus sous le nom de surtensions de nuages de cendres2,3, peuvent maintenir des températures très élevées tant qu'ils sont couplés au flux basal à haute concentration23, qui sont plutôt thermiquement conservateurs20,21,22, et qui transfèrent en continu vers le haut à la fois la masse et l'énergie thermique11,23. Cela implique que si et où le détachement de la surtension du nuage de cendres se produit en raison d'effets topographiques (par exemple, 2,3), même à des portées distales (par exemple, 14,24), leur température initiale peut être aussi élevée que le courant de concentration basal parent.

Cependant, une fois détachées, les surtensions de nuages de cendres diluées et turbulentes sont des événements de courte durée, qui ne laissent très souvent au sol que quelques centimètres de cendres avant le décollage, avec très peu de potentiel de conservation dans les archives géologiques, à moins qu'elles ne soient immédiatement et de manière conservatrice enfouies par d'autres dépôts de la même éruption (par exemple, des dépôts de PC de chute et/ou non érosifs). Le faible potentiel de préservation a conduit à un nombre limité d'études sur ces types de dépôts et phénomènes associés1,2,3,5,6,7,25,26,27,28, et éventuellement à une sous-estimation du risque de surcotes de nuages de cendres, en particulier de leurs impacts thermiques.

Les sites archéologiques d'Herculanum et de Pompéi sont probablement les cas historiques les plus spectaculaires et les plus célèbres de l'interaction entre les courants pyroclastiques, les humains et les colonies (Fig. 1). Des centaines de squelettes de victimes humaines ont été retrouvés préservés dans des couches de dépôts pyroclastiques mis en place lors de l'éruption 79CE du mont Vésuve13,14,15,16,29.

Emplacement du site archéologique d'Herculanum et stratigraphie de l'éruption du Vésuve de 79 CE. (a) Carte générale de Google Earth (données cartographiques ©2022 TerraMetrics) de la plaine campanienne avec les emplacements des sites archéologiques d'Herculanum, d'Oplontis, de Pompéi et de Stabiae ; (b) ancien plan de la ville d'Herculanum indiquant les cinq sites d'échantillonnage : Collegium Augustalium (points rouges), Decumanus Maximus (points verts), Stores/Houses ABCD (points orange) situés dans la partie nord de la ville, House of the Frame (point jaune) située dans le centre de la ville, et Fornici & pre-eruption beach (points bleus) le long du côté sud-ouest ; (c) Vue panoramique vers l'est du site archéologique d'Herculanum ; la ligne jaune pointillée indique le sommet des dépôts pyroclastiques de 79 CE qui ont enseveli la ville antique et sur lesquels est bâtie la ville moderne ; le cône sommital du Vésuve (1281 m d'altitude) est en arrière-plan ; les nombres rouges indiquent l'emplacement approximatif des sites d'échantillonnage indiqués en (b); (d) détail de la base même de la séquence pyroclastique 79CE ; les dépôts de nuages de cendres S1 reposent sur quelques centimètres de sable noir de plage, reposant à leur tour sur le substrat dur ; (e) Mur en bord de mer (ouest) du site archéologique d'Herculanum montrant la stratigraphie complète de l'éruption du Vésuve en 79 EC, annotée selon30,31 ; le triangle à 19 m est le point de vue de (c).

Bien que le 79CE soit l'une des éruptions les plus étudiées, le moment exact et les causes de décès à Pompéi et à Herculanum sont encore débattus, ce qui a des implications pour les études anthropologiques volcanologiques, archéologiques et médico-légales.

À Herculanum, la découverte dans une série de hangars à bateaux et au bord de la mer de centaines de squelettes incrustés dans le premier dépôt de cendres (connu sous le nom de S130 ou EU2/3pf31 Fig. 1e), associée à la posture réaliste des cadavres des victimes et aux effets thermiques induits sur les crânes et les os, a été détectée comme preuve d'une exposition à une chaleur intense, d'une mort subite et d'une disparition rapide des tissus mous du corps à la suite d'une exposition du squelette à environ 500 °C13 ,14,15,16. La découverte unique d'un cerveau vitrifié à partir d'un squelette encore conservé dans son contexte archéologique d'origine sur le site a également été rapportée comme preuve d'un événement thermique précoce très élevé et d'un refroidissement rapide ultérieur de la montée précoce du nuage de cendres17,32.

D'autres auteurs ont proposé que la préservation du collagène dans certaines côtes puisse indiquer plutôt une exposition à des températures plus basses33. Par conséquent, la détermination de la température et de la nature des courants pyroclastiques du Vésuve 79CE (PC) qui ont tué les habitants d'Herculanum sont encore un sujet de débat, d'autant plus que l'impact sur les corps humains, ainsi que sur tout autre objet, ne dépend pas seulement de la température du PC, mais aussi de sa durée et de son taux d'échange de chaleur. Les proxys géologiques pour les températures de mise en place de la séquence PC ensevelis Herculanum ont indiqué jusqu'à présent des valeurs moyennes autour de 350–400 ° C; ceux-ci sont dérivés de la magnétisation thermique rémanente (TRM) des clastes lithiques34,35,36 et de la réflectance des morceaux de charbon de bois extraits des gisements de PC37. Des températures aberrantes supérieures (jusqu'à > 450 °C) et inférieures (jusqu'à < 240 °C) ont également été documentées13,17,36,37, ces dernières en particulier lorsque les PC ont interagi avec des édifices, intacts ou effondrés, et l'eau de mer. Cependant, aucune des études et méthodes mentionnées ci-dessus n'a ciblé directement la température des PDC dilués précocement mal conservés qui sont entrés à Herculanum, ont instantanément tué les gens et ont à peine enterré leurs cadavres13,14,15,16.

Ici, nous explorons le potentiel de l'analyse de la réflectance du charbon de bois formé lors de l'enterrement progressif d'Herculanum en 79EC, pour montrer l'impact extrêmement élevé de la température du tout premier nuage de cendres, qui a tué des personnes et affecté des infrastructures. Nous discuterons de la manière dont les distributions polymodales des valeurs de réflectance du charbon de bois, généralement ignorées et lissées en faisant la moyenne des valeurs10, 22, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, enregistrent à la place des événements thermiques polyphasés. En particulier, compte tenu de la nature non rétrograde du processus de carbonification, des événements de haute température précoces et de courte durée peuvent être enregistrés par la carbonisation incomplète du bois (c'est-à-dire une carbonification déséquilibrée qui peut n'affecter que la partie externe du bois23), et conservés si un enfouissement ultérieur a eu lieu à plus basse température (c'est-à-dire une carbonification à l'équilibre qui peut transformer en charbon les domaines du bois qui n'ont pas déjà été carbonisés mais qui ne peuvent pas surimprimer la réflectance atteinte par les domaines du charbon formés à plus haute température23).

Le site archéologique d'Herculanum représente une étude de cas unique pour corroborer et tester la validité et la sensibilité de la réflectance du charbon de bois en tant que géothermomètre pour les environnements volcanologiques et bioarchéologiques. Les résultats peuvent grandement contribuer à combler le fossé entre les études médico-légales, archéologiques et volcanologiques menées dans la région d'Herculanum, contraignant la reconstruction du principal événement thermique mortel. Cette étude met en évidence la capacité de transport thermique des courants de densité pyroclastiques dilués éphémères, interprétés ici comme des surcotes de nuages de cendres détachés, dont l'aléa est encore largement sous-estimé.

Les villes romaines d'Herculanum, Pompéi, Oplontis et Stabiae ont été dévastées et enterrées lors de l'éruption du Vésuve Plinien en 79 CE. La stratigraphie de cette éruption emblématique, décrite en deux lettres par le témoin Pline le Jeune, a été reconstituée comme correspondant à 8 unités éruptives principales (30,31,45,46,47 ; Fig. 1e). Selon Pline, l'éruption s'est produite entre le 24 et le 25 août. Au cours des premières phases, une colonne éruptive soutenue s'est élevée à 30–33 km dans l'atmosphère45, mettant en place des lapilli de retombées de pierre ponce blanche phonolitique. Herculanum n'a pas été affecté par cette phase de retombées pliniennes précoces, dont l'axe principal de dispersion était orienté SE vers Pompéi.

Au cours de la soirée/nuit du 24 août, les retombées de lapilli de pierre ponce ont changé en composition grise et phonotéphritique, et certains courants pyroclastiques se sont formés en raison d'effondrements partiels de la colonne plinienne. Ces premières coulées, reconnues à Oplontis, Misène, Stabies et Herculanum46, ont été décrites par Pline le Jeune comme des nuages « voyageant comme des ruisseaux sur le sol »48. Les dépôts de PC associés qui forment les unités basales d'Herculanum ont été nommés S1–S227 ou EU2/3pf et EU3pf46 (Fig. 1e). À partir de maintenant, nous désignerons l'unité de base par S1 et S2.

Les dépôts S1 sont constitués de cendres massives à stratifiées gris pâle, grossières à fines30 de 20 à 80 cm d'épaisseur (Fig. 1d). La taille dominante des cendres et l'épaisseur réduite de S1 ont été interprétées comme la preuve qu'Herculanum a d'abord été touché par une poussée pyroclastique diluée distale14. Les squelettes d'environ 350 personnes16, qui s'étaient réfugiées le long de la plage dans douze chambres du front de mer, ci-après appelées Fornici (Fig. 1), et sur la plage, ont été retrouvés gisant dans le dépôt de cendres fines S1. Dans la ville, presque complètement abandonnée par les citoyens d'Herculanum au tout début de l'éruption, seules quelques dizaines de victimes ont été découvertes, comme le cas de celle trouvée dans la Maison du Squelette, ces deux dans l'Apodyterium16 et celle allongée sur un lit dans le Collegium Augustalium17.

Le dépôt de cendres non consolidées S1 n'est reconnaissable qu'à de très rares endroits dans la ville. A l'entrée de Fornici (Fig. 1b, c) son épaisseur varie entre 35 et 60 cm, alors qu'à l'intérieur des chambres elle atteint 150 cm30.

Le long de la côte pré-éruptive, maintenant à - 5 m sous le niveau actuel de la mer (Fig. 1c, e), S1 repose directement sur du sable de plage noir de quelques cm d'épaisseur (Fig. 1d). Ici, S1 varie d'env. 15 à 50 cm d'épaisseur et contient de nombreuses pièces de bois carbonisées à partiellement carbonisées et des tuiles plus rares30. S1 est recouvert par env. Couche massive de 70 à 100 cm d'épaisseur constituée de lapilli de cendre et de pierre ponce grise incorporant des fragments de charbon de bois et d'autres matériaux archéologiques, qui correspond à la couche S230 (Fig. 1e). Des restes humains trouvés le long de la plage flottaient dans le dépôt de cendres fines S114,15,16. Au-dessus de S1 et S2, la séquence pyroclastique est constituée par une succession de 20 m d'épaisseur de tuf à lapilli massif supporté par une matrice de cendres riche en lave et en lithique sédimentaire, déposé à travers la transition des phases magmatique et phréatomagmatique de l'éruption30,31 par des PDC à haute concentration qui ont progressivement enseveli la ville (Fig. 1).

La réflectance est la propriété optique du charbon de bois de refléter la lumière incidente et elle augmente à des degrés croissants de carbonification38,39,44,49,50. Nous utilisons le charbon de bois du site archéologique d'Herculanum comme proxy pour reconstituer les événements thermiques qui ont affecté la ville lors de l'éruption de 79CE. Des fragments de bois carbonisé ont été collectés sur cinq sites différents répartis le long de la voie d'écoulement, du côté nord le plus proximal (Collegium Augustalium, Decumanus Maximus et Stores / Houses ABCD), de la zone centrale (la House of the Frame) à la zone sud-ouest distale le long de la plage pré-éruption (Fornici, Fig. 1b).

Un total de 40 échantillons de fragments de charbon de bois ont été prélevés (voir les détails dans le tableau de matériel supplémentaire S1) : 12 du Collegium Augustalium, 9 des magasins/maisons ABCD situés le long du Cardo III supérieur, 3 le long du Decumanus Maximus, 1 dans la Maison du Cadre le long du Cardo II supérieur et 15 fragments sur la plage Fornici/frontal. Les fragments de charbon de bois proviennent à la fois d'arbustes et d'arbres arrachés par l'écoulement le long des flancs du volcan et de fabrications (meubles et bâtiments). Selon des études taxonomiques51, les 90% du bois utilisé pour la construction des maisons et des meubles lors de l'éruption par les Romains étaient du bois de conifères (bois de sapin48).

La mesure de la réflectance (Ro) est une approximation très robuste et expérimentalement bien contrainte de la température à laquelle le charbon de bois s'est formé38,39,50,52. Cette méthode a été largement appliquée comme géothermomètre dans différents contextes de carbonification : environnement diagénétique d'enfouissement, où la matière organique se carbonise lentement44,53,54, feux de brousse sauvages49,55,56, feux naturels et anthropiques42,57 dépôts volcaniques10,22,23,36,37,38,40,41,58. Malgré ces énormes différences dans les processus de carbonification, le traitement des données de réflectance pour récupérer les paléotempératures dans les environnements volcaniques a généralement suivi la même approche que pour le charbon diagénétique, par le calcul de la valeur de réflectance moyenne et de l'écart type associé, de cinquante à cent mesures pour chaque échantillon10,22,23,36,37,41. Cependant, dans les environnements volcaniques, où les événements thermiques de courte durée peuvent ne pas être propices à une carbonification complète, certains auteurs ont également proposé l'utilisation de la moyenne des trois valeurs maximales de réflectance40 pour mieux capturer la carbonification de déséquilibre aux conditions thermiques maximales, la température obtenue ne représentant toujours qu'un minimum car la durée du processus de chauffage est inconnue38. Des études récentes ont en outre montré que le charbon de bois enseveli dans les dépôts de PC peut montrer des distributions polymodales des données de réflectance dans des échantillons individuels et ont fait valoir que différentes populations de réflectance peuvent à la place enregistrer plusieurs événements thermiques subis par le fragment de bois10,23. Ceci est possible car le processus de carbonification est non rétrograde et nécessite des échelles de temps de l'ordre des heures pour être réalisé38,50. Par conséquent, une distribution de réflectance polymodale peut indiquer la superposition d'événements thermiques ultérieurs. Pour être préservés, ceux-ci doivent être à des températures progressivement plus basses : (1) le ou les événements précoces à haute température doivent être de courte durée afin que le bois ne puisse être que partiellement carbonisé à des valeurs de réflectance élevées, laissant les autres domaines frais ; (2) le ou les événements de température plus basse ultérieurs ne peuvent alors affecter que les domaines frais conférant la distribution polymodale à la réflectance du charbon de bois dans l'échantillon unique. Il convient de noter que si le dernier événement thermique se produit à la place à une température supérieure au premier, l'ensemble du morceau de charbon de bois serait réinitialisé à des conditions de T plus élevées, ce qui entraînerait une population unimodale de valeurs de réflectance.

Sur la base de ces découvertes récentes, nous considérerons dans le traitement des données la présence de distributions polymodales pour démêler la succession des événements thermiques ultérieurs, en identifiant, en plus de la valeur moyenne et de l'écart-type, les principaux modes. La moyenne des trois valeurs maximales de Ro (3Ro max) sera utilisée pour évaluer la température minimale de l'événement thermique maximal40.

Tous les échantillons analysés ne sont pas affectés par l'altération post-dépôt ni par la reminéralisation (Fig. 2a′–i′). Les données de réflectance montrent à la fois des distributions unimodales et polymodales dans différents échantillons (Fig. 2a′′ –i′′). Les deux tendances ont été décrites en rapportant à la Fig. 2 et au Tableau 1 le nombre de mesures effectuées sur chaque échantillon, la réflectance moyenne, l'écart type, les modes principaux, la valeur de réflectance maximale et la moyenne des 3 valeurs de réflectance maximales. Les valeurs des principaux modes et la dispersion des données autour d'eux sont similaires dans tous les échantillons (Fig. 2 et Tableau 1). Les données d'échantillons appartenant à la même source de bois (par exemple, cadre de lit ou poutre de maison) sont présentées avec un seul histogramme de fréquence. Les résultats sont décrits pour les cinq sites d'échantillonnage.

Emplacement du site d'échantillonnage des fragments de bois carbonisé et résultats de l'analyse de réflectance. Les images de a à i montrent les endroits où les fragments de bois carbonisé ont été collectés (a—image de la poutre de support dans le Collegium Augustalium b—photo du cadre de lit carbonisé dans le Collegium Augustalium ; c—photo des restes du corps de l'homme allongé sur le lit lorsque l'éruption s'est produite ; d—vue panoramique du Decumanus Maximus ; e—poutre de maison carbonisée le long du Decumanus Maximus et du dépôt de cendres S1 (in situ) ; f—particule du dépôt de cendres S1 affleurement le long du Decumanus Maximus ; g—vue des Magasins/Maisons ABCD le long du III Cardo Superiore ; h—vue de la Maison du Cadre et photo de graines carbonisées récupérées dans la Maison du Cadre ; i—vue panoramique des chambres Fornici situées le long du rivage de la plage avant l'éruption et l—photo d'un groupe de squelettes trouvés dans l'une des chambres. absence de minéralisation ou d'altération des échantillons ; histogrammes de comptage vs Ro indiqués par les lettres a′′–c′′, e′′–i′′, affichant la distribution des données de réflectance et la moyenne de Ro, les modes et la moyenne des 3 valeurs maximales de Ro.

La majeure partie du charbon de bois échantillonné provient de sites qui ont été entièrement fouillés dans les années 1960, et à cette époque, la stratigraphie des dépôts volcaniques n'était pas documentée. Par conséquent, certains échantillons ne peuvent pas être localisés avec précision dans la stratigraphie de l'éruption. Cependant, les échantillons ont été prélevés dans les premiers 1 à 2 m au-dessus du sol et ensuite, sur la base des séquences stratigraphiques encore conservées sur le site, ils peuvent être référés aux dépôts S1-S2, et éventuellement à l'unité au-dessus (Fig. 1). Dans la section suivante, nous détaillerons le contraire uniquement pour les sites où les échantillons peuvent être associés à une unité volcanique spécifique.

668 mesures de réflectance ont été effectuées sur 12 échantillons de charbon de bois prélevés au Collegium Augustalium : 7 échantillons d'une poutre de support de toit utilisée lors de la restauration des structures après le tremblement de terre de 62 après JC, travaux en cours au moment de l'éruption de 79 après JC (Fig. 2a), 4 échantillons d'un cadre de lit (Fig. 2b) et un échantillon du dépôt de cendres recouvrant les restes d'un homme retrouvé allongé sur le lit (Fig. 2c) 17 (Voir le tableau de matériel supplémentaire S1 ). La cendre recouvrant le corps et le lit en bois est riche en lapilli de pierre ponce grise, dont la comparaison avec des séquences stratigraphiques similaires trouvées dans la ville suggère S2 comme la meilleure attribution. Des échantillons de la poutre de support et du dépôt de cendres au-dessus du squelette montrent une distribution polymodale des données (Fig. 2a '', c '') avec respectivement deux et trois modes principaux. Les fragments de faisceau de support analysés affichent une réflectance moyenne (moyenne Ro) de 1,047 (STDEV = 0,365) et deux modes principaux à Ro = 0,890 et 1,120. La moyenne des 3 valeurs maximales de réflectance (3Ro max) est de 2,235. Le charbon de bois de la cendre recouvrant le corps de l'homme infère des données moyennes de Ro de 1,370 (STDEV. = 0,326) et trois modes principaux à Ro = 1,260, 1,550 et 1,750. La moyenne du 3Ro max est de 2,007. Des fragments de charbon de bois du cadre de lit montrent une distribution de données unimodale (Fig. 2b ′) avec une moyenne de Ro correspondant à 0, 902 (STDEV = 0, 159). En raison de sa distribution unimodale des données, les deux principaux modes 0,830 et 0,950 sont très proches de la valeur moyenne de Ro. La moyenne du 3Ro max est de 1,354.

Les fragments de charbon de bois collectés le long du Decumanus Maximus (Fig. 2d) appartiennent à une poutre de maison (deux échantillons, Fig. 2e), située devant le Collegium Augustalium, et à un dépôt de cendres fines stratifiées préservé reposant directement sur le sol (un échantillon, Fig. 2f) attribuable à S1. Compte tenu de son élévation au-dessus du sol, la poutre de la maison était vraisemblablement enfouie dans la succession de tuf à lapilli qui ensevelit la ville (EU3pf2b et EU4-8 sur la Fig. 1). Des fragments du centre et du bord de la poutre de la maison ont été analysés pour comparer le degré de carbonification ; tandis que plusieurs morceaux de charbon de bois ont été extraits du dépôt de cendres fines collectées (S1 ou EU2 / 3pf sur la Fig. 1e).

Les résultats des 136 mesures de réflectance effectuées ont indiqué une distribution de données unimodale pour l'échantillon de poutre de maison, avec des valeurs de réflectance allant de 0,500 à 1,350. La valeur moyenne de Ro correspond à 0,972 (STDEV = 1,112) et la valeur du mode principal de 0,980 est presque identique à la valeur moyenne de Ro. La moyenne des 3 Ro max est de 1,244. Les 67 mesures de réflectance effectuées sur des morceaux de bois carbonisés récupérés du dépôt de cendres indiquent une distribution polymodale avec trois modes distincts. La valeur moyenne de Ro est de 0,903 (STDEV = 0,418), tandis que les modes identifiés correspondent à 0,250, 1,000 et 1,350. La moyenne du 3Ro max est de 1,525.

Il convient de noter que les échantillons appartenant au noyau et à la jante de la poutre de la maison (ERC-54A et ERC-54B Tableau des matériaux supplémentaires S1) montrent le même degré de carbonisation.

Au total, 500 mesures de réflectance ont été effectuées sur les neuf échantillons de charbon de bois collectés dans les magasins / maisons ABCD situés le long du côté NNO de la ville (Fig. 2g). Ces fragments de charbon de bois appartiennent aux poutres de plancher du deuxième étage de ces magasins/maisons (tableau de matériaux supplémentaires S1).

Les résultats des données de réflectance des quatre magasins / maisons ont été fusionnés en un seul histogramme de fréquence (Fig. 2g′′). La distribution des données montre clairement une tendance polymodale avec deux modes clairs. Le Ro moyen est équivalent à 0,601 (STDEV = 0,153), les deux modes identifiés correspondent à 0,440 et 0,690, alors que la moyenne des 3 Ro max est de 0,988.

La Maison du Cadre est située au milieu de la ville le long du Cardo II supérieur (Fig. 1b). Des graines carbonisées, appartenant à une plante encore non identifiée, ont été retrouvées à l'intérieur de la maison, associées aux restes squelettiques d'un enfant (Fig. 2h). Comme en témoignent l'analyse morphologique macroscopique de la cendre fine remplissant le crâne de l'enfant et de ses inclusions, comme en témoignent également les tomodensitogrammes effectués sur celui-ci, ce dépôt de cendre fine est similaire à celui dans lequel les restes squelettiques de l'homme ont été retrouvés au sein du Collegium Augustalium, de sorte que cette jeune victime, décédée sur le coup à l'arrivée de S1 comme tous les autres résidents d'Herculanum16, a vraisemblablement été engloutie et ensevelie par S2. Les cinquante mesures de réflectance effectuées sur une graine indiquent une distribution de données unimodale (Fig. 2h '), concentrée dans une plage de réflectance étroite comprise entre 0, 550 et 0, 800. Le Ro moyen correspond à 0,698 (STDEV = 0,052), le mode principal est de 0,750, très proche de la valeur Ro moyenne ; la moyenne du 3Ro max est de 0,813.

Les 15 échantillons de charbon de bois collectés dans le Fornici et le long de la plage côtière pré-éruption (Fig. 2i) présentent une carbonification complète et partielle (tableau de matériaux supplémentaires S1). Des échantillons de bois carbonisé ont été extraits du dépôt de cendres S1 où les cadavres des victimes ont été exhumés (Fig. 1e). Les 751 mesures de réflectance indiquent une distribution de données polymodale avec deux modes principaux. La valeur moyenne de Ro déterminée dans ce site est la plus faible par rapport aux autres sites d'échantillonnage, correspondant à 0,436 (STDEV = 0,154). Les deux principaux modes identifiés sont 0,300 et 0,450, tandis que la moyenne du 3Ro max est de 0,852.

Des expériences de pyrolyse utilisant différentes plantes et protocoles de chauffage ont produit plusieurs courbes qui corrèlent l'augmentation de la température et la réflectance du charbon38,39,42,43,44,49,50,55,56. Ces courbes de pyrolyse ont des tendances similaires, mais des différences se produisent (voir le texte du matériel supplémentaire S1, Fig. S1, tableau S2). Sur la base des essences de bois carbonisées et du processus de carbonification étudié associé aux courants pyroclastiques, nos estimations de température se réfèrent à la courbe de55 (voir le tableau des matériaux supplémentaires S2 et le diagramme de flux de la Fig. S2).

Le tableau 1 montre la conversion des valeurs de réflectance en température. En raison de la distribution polymodale affichée par presque tous les échantillons analysés, nous considérons les modes principaux Ro, plutôt que les moyennes Ro, comme les valeurs de réflectance les plus représentatives de chaque échantillon. De plus, nous utilisons les valeurs 3Ro max mesurées, pour l'évaluation de la température minimale de l'événement thermique le plus élevé40.

Les températures les plus élevées ont été détectées dans la partie nord de la ville à Collegium Augustalium et le long du Decumanus Maximus, où les valeurs 3Ro max du charbon de bois montrent une plage de température comprise entre 495 et 555 °C.

Les modes Ro entre 0,690 et 1,260 reconnaissables à la fois dans le nord et dans le sud-ouest de la ville, montrent une température décroissante de 465 à 390 °C (tableau 1).

Les modes Ro les plus bas allant de 0,250 à 0,450 ont été identifiés à Decumanus Maximus et Stores/Houses ABCD, mais principalement dans des échantillons de charbon de bois collectés à Fornici et le long de la plage pré-éruption. Les températures relatives varient de 315 à 350 °C. Dans le tableau 1, les valeurs de réflectance converties en température et organisées par site d'échantillonnage sont rapportées en détail.

Dans le tableau sont rapportés en détail les résultats obtenus à partir de l'analyse de réflectance effectuée sur les 40 échantillons collectés à Herculanum divisés par site d'échantillonnage. La source de l'échantillon, la distribution des données (unimodale ou polymodale), le nombre de fragments mesurés (N), la valeur moyenne de Ro, l'écart type, les modes Ro et la moyenne des valeurs maximales de 3Ro mesurées et la conversion de température relative, à l'aide de la courbe de pyrolyse 55, sont rapportés.

Les courants de densité pyroclastiques dilués ont été mortels lors de nombreux événements volcaniques de l'histoire. Malgré les nombreux épisodes, l'aléa des PDC à faible concentration est encore sous-estimé et n'est pas pleinement pris en compte dans les cartes d'aléas. Selon 2, la zone vulnérable devrait être doublement étendue par rapport aux courants pyroclastiques basaux à haute concentration associés.

La sous-considération du danger de ces courants pyroclastiques turbulents, dilués et à haute température réside dans la faible conservation dans les archives stratigraphiques de leurs dépôts minces et faciles à laver malgré leur impact thermique élevé sur les personnes et les objets.

Les épisodes volcaniques récents survenus en 1991 à Unzen7,8,26,59, en 2010 au volcan Merapi9,12, en 2018 au Guatemala60,61 et en 2019 en Nouvelle-Zélande62,63 soulignent la nécessité d'approfondir notre compréhension du danger des PDC dilués en termes d'impact thermique11.

Dans le cas de l'éruption du Fuego de Guatemala en 2018, au cours de laquelle plus de 300 personnes sont mortes (bien que des évaluations indépendantes suggèrent malheureusement jusqu'à 2900 décès)11,60, une faible concentration dépassant les vagues de nuages de cendres détachées de la vallée a confiné des flux à forte concentration tuant beaucoup d'entre eux par suffocation et brûlures graves60. Certains cadavres de victimes ont été retrouvés sur des hauteurs topographiques, loin des mares de la vallée où s'accumulaient des courants pyroclastiques épais et de forte concentration, et ils n'étaient que partiellement recouverts de fines couches de cendres affichant une attitude pugiliste suite à une exposition à des températures élevées60. Ils ont donc certainement été tués par la haute température du nuage de cendres turbulent détaché à la périphérie des écoulements à forte concentration, plutôt que par l'impact de la pression dynamique. Le cas de l'onde de nuage de cendres détachée s'est produit le 15 septembre 1991 au mont Unzen, au Japon, et a causé 44 décès7,8 sur un haut relief délimitant une vallée incisée où la concentration élevée de PDC continuait d'être confinée. Ces événements volcaniques tragiques présentent des similitudes remarquables avec l'éruption la plus emblématique du Vésuve 79CE.

Les effets induits par la chaleur subis par les victimes, notamment l'explosion et la carbonisation des crânes, la vaporisation des cerveaux, les os fissurés et carbonisés, les dents fissurées, la contraction des membres et la dégradation thermique des hémoprotéines sanguines14,15,16 indiquent la survenue d'un événement thermique précoce extrêmement élevé supérieur à la température précédemment estimée d'environ 500 °C. Contrairement à Pompéi, où de nombreux corps montrent la position post-mortem typique connue sous le nom d'attitude pugilistique, l'absence d'une telle attitude de cadavre à Herculanum témoigne de la disparition rapide des tissus mous, car la position pugilistique est due à la déshydratation et au raccourcissement des muscles induits par une chaleur intense14,16. Cependant, jusqu'à présent, aucune mesure directe d'un tel événement PC précoce à haute température n'a été effectuée à Herculanum.

Notre étude sur la réflectance du charbon de bois enregistre pour la première fois la survenue d'événements thermiques ultérieurs à température décroissante qui ont affecté Herculanum. En comparant la stratigraphie pyroclastique (Fig. 1e) et la stratigraphie thermique enregistrée par la distribution polymodale de la réflectance du charbon de bois, nous pouvons reconstituer la succession des événements PC qui ont impacté la ville.

Le premier PDC dilué (S1 ou EU2/3pf selon les auteurs) est entré à Herculanum avec une température supérieure à 550 °C enregistrée par des échantillons collectés au Collegium Augustalium et au Decumanus Maximus (Tableau 1). C'est la température minimale de l'événement thermique car la réflectance polymodale du charbon de bois enregistre une carbonification précoce incomplète qui témoigne d'un événement éphémère, incapable d'atteindre le plein équilibre, qui expérimentalement est généralement atteint après au moins 24 h, à température constante, pour des morceaux de bois mesurant 2 × 5 cm38.

Cet événement précoce > 550 °C a ensuite été suivi par la succession de PC qui ont finalement enseveli la ville sous des dépôts volcaniques de 20 m d'épaisseur (Fig. 1e). Ces écoulements ultérieurs étaient caractérisés par des températures plus basses, comme en témoigne la présence de modes multiples au sein du même échantillon de charbon de bois à partir desquels nous avons déduit au moins deux événements de carbonisation à des températures allant de 390 à 465 °C et de 315 à 350 °C, respectivement. Les températures plus basses de ces événements ultérieurs peuvent s'expliquer par l'implication progressive des eaux souterraines au cours de l'éruption (voir phase phréatomagmatique31 ; Fig. 1e).

L'apparition d'un événement PDC dilué de courte durée > 550 °C ne laissant qu'une fine couche de cendres au sol, suivi plus tard par le dépôt de dépôts pyroclastiques à plus basse température mais plus épais, permet de comprendre les conditions de formation et de conservation d'un cerveau vitrifié récemment découvert dans le crâne d'une victime dans le Collegium Augustalium17. La transformation en verre de tissu cérébral frais dans un environnement chaud n'est possible que si deux conditions sont réunies : (1) l'échauffement est de courte durée, de sorte que le tissu n'est pas complètement vaporisé15, et (2) une fois que le PDC dilué a disparu, le corps n'est pas complètement enseveli dans un dépôt chaud, condition nécessaire pour permettre le refroidissement très rapide nécessaire à la vitrification17,66. Cela permet de reconnaître que S1 était un événement éphémère, extrêmement chaud, dilué, et qu'un intervalle de temps suffisant s'est produit pour le refroidissement rapide du corps encore partiellement exposé à l'air avant que les PJ suivants n'entrent progressivement et ne recouvrent la ville. La température plus basse de ces derniers dépôts de PC explique la préservation du cerveau vitrifié, ainsi que des valeurs de réflectance élevées dans les distributions polymodales. Si les PC ultérieurs étaient à des températures plus élevées, le cerveau vitrifié aurait été réchauffé au-dessus de la température de transition vitreuse et perdu dans son ultrastructure neuronale, qui est plutôt intégralement préservée32, ainsi que les fragments de charbon de bois auraient été totalement réinitialisés à des valeurs Ro unimodales plus élevées.

La température des cendres S1, auparavant uniquement déduite de manière générique par les effets de la chaleur sur les squelettes des victimes13,14,15,16 et le cerveau vitrifié17,64, est maintenant enregistrée à une température minimale de > 550 °C par des valeurs de réflectance élevées dans les ensembles de données de charbon de bois polymodaux, alors que toutes les autres données paléothermiques du reste de la séquence pyroclastique indiquent des températures plus basses des processus diachroniques liés à l'enfouissement ultérieur de la ville34,36,37,65 ,66.

Les PDC dilués sont caractérisés par des coefficients d'entraînement d'air élevés27,67, donc la température élevée enregistrée de S1 ne peut pas être expliquée par un courant dilué généré à l'évent et se propageant comme une surtension sur 7 km le long de la pente du Vésuve. Au lieu de cela, nous proposons une nouvelle interprétation du premier événement d'Herculanum en tant qu'onde de nuage de cendres détachée des courants pyroclastiques à haute concentration à proximité, comme cela s'est produit à Unzen en 19917,68 et au Volcan de Fuego en 201811. maintenir une température élevée similaire aussi longtemps qu'ils sont alimentés en masse et en chaleur par le bas23. Cependant, dès que le nuage de cendres se détache du courant basal à haute concentration et devient une poussée diluée indépendante, la température chute rapidement en raison de l'entraînement rapide de l'air et de l'échange de chaleur favorisé par la granulométrie fine des pyroclastes.

Herculanum a été construit face à la mer sur un relief d'environ 10 à 15 m plus haut que le niveau de la mer (Fig. 1), donc sur un haut topographique probablement bordé au nord et au sud par des vallées le long desquelles les parties les plus denses des courants pyroclastiques auraient été confinées et actuellement enfouies sous la ville moderne (Fig. 3a, c).

Scénario de l'entrée du nuage de cendres S1 à Herculanum. (a) Carte DTM (20 m) du volcan Vésuve (logiciel Qgis version 3.18 Zurich) avec distribution surfacique S1 selon30 et localisation d'Herculanum. Direction déduite des coulées pyroclastiques confinées dans la vallée (flèches droites rouge foncé) et des surtensions de nuages de cendres associées (flèches noires fines et courbes) qui ont atteint Herculanum et le rivage pré-éruption (ligne rouge fine). ( b ) Reconstruction transversale A – A '(pas à l'échelle) du détachement du nuage de cendres à partir de PC à haute concentration confinés dans la vallée qui ont agi comme source à haute température (>> 550 ° C) du nuage de cendres. ( c ) Reconstruction longitudinale B – B '(pas à l'échelle) du nuage de cendres S1 engloutissant la ville à T> 550 ° C et son interaction avec l'eau de mer le long du littoral pré-éruptif, ralentissant rapidement la vitesse et réduisant la température (350–400 ° C).

Le scénario le plus probable pour S1 à Herculanum est, selon notre interprétation, celui d'un nuage de cendres découplé2 de son courant pyroclastique parent confiné dans une vallée à haute concentration juste à proximité de la ville, de sorte que le nuage de cendres pourrait se former à haute température (Fig. 3a – c). Un scénario similaire a été reconstitué pour les premières phases de l'éruption du Fogo A (Açores)69.

Une fois traversé la ville, 200 m en aval par rapport au Decumanus Maximus, le nuage de cendres S1 a sauté sur la plage et dans les chambres du front de mer (Fornici, Fig. 1), où il a instantanément tué les personnes qui s'y étaient réfugiées13. Les effets thermiques détectés sur les ossements des victimes trouvés dans le Fornici13,14,15,16, correspondent bien à la température du nuage de cendres > 550 °C mesurée en amont au Collegium Augustalium et au Decumanus Maximus. La préservation dispersée du collagène osseux ne semble pas être la preuve d'une faible température du nuage de cendres comme le prétendent certains auteurs33, mais elle semble être liée à la quantité de transfert de chaleur à laquelle les corps et les os des victimes ont été exposés pendant l'événement de courte durée du nuage de cendres. En fait, il a été démontré que l'étendue plus ou moins grande des effets de la chaleur sur le squelette, voire sur un seul élément osseux, est étroitement liée à l'encombrement plus ou moins grand des victimes à l'intérieur des Fornici, ainsi qu'à la quantité de masse charnue présente dans différents districts anatomiques, même au niveau d'un seul os15,16. Cependant, la persistance de protéines telles que le collagène et d'autres composants organiques des os à Herculanum est très probablement indépendante de l'exposition à une chaleur plus ou moins intense mais peut être plutôt corrélée à l'environnement d'enfouissement dans lequel les squelettes des victimes ont été enchâssés jusqu'à leur découverte après environ 2000 ans70. À Herculanum, après une mort subite et une disparition rapide des tissus mous induite par la chaleur, les squelettes ont été enterrés dans un sol alcalin et anoxique gorgé d'eau en permanence70, environnement capable d'inhiber les changements chimiques dus aux attaques microbiennes71,72 permettant ainsi la survie à long terme de la matière organique dans l'os.

La température moyenne inférieure entre 325 et 350 °C (tableau 1) détectée par le charbon de bois à Fornici peut s'expliquer par l'échange de chaleur rapide dû à l'interaction du nuage de cendres avec les corps humains et l'eau de mer à proximité. Les observations directes des courants pyroclastiques entrant dans la mer après avoir voyagé le long des pentes des stratovolcans (par exemple, 73, 74) montrent qu'ils se gonflent et se refroidissent rapidement en raison de l'entraînement de l'eau de mer. Cet effet a été documenté à proximité de la Villa dei Papiri37, et il est en accord avec des exemples bien documentés, y compris l'onde de cendres de 1902 qui a détruit Saint Pierre, Martinique4,5 et les vagues de cendres de Secche di Lazzaro, Stromboli75, où la combinaison des effets topographiques et de l'engouffrement de l'eau de mer lors de l'interaction onde côtière-eau, a favorisé l'expansion soudaine de l'onde et même le reflux en amont de l'onde refroidie et diluée. Une autre cause de l'abaissement de la température du dépôt incrustant les corps des victimes dans le Fornici pourrait être les corps eux-mêmes, en tant que source directe d'une grande quantité de vapeur d'eau produite par la vaporisation et la disparition rapide des tissus corporels mous induite par l'exposition d'un grand nombre de victimes à une chaleur extrême15,16, environnement vraisemblablement caractérisé par une température plus élevée que celle du dépôt lui-même.

Nous interprétons donc la première vague de nuages de cendres S1 comme ayant été de très courte durée, atteignant la côte et les Fornici toujours à > 500 °C, ne laissant presque aucun dépôt mais tuant les gens là-bas13,14. L'interaction de la montée subite du nuage de cendres et de l'eau de mer a provoqué la montée subite de l'inflation et la décantation des cendres refroidies immédiatement après, qui ont ensuite incrusté les squelettes des personnes déjà tuées instantanément par la chaleur extrême (Fig. 3b A – A 'profil). Cette interprétation explique le désaccord apparent des températures enregistrées au bord de la mer et aussi la différence d'épaisseur de S1, qui est de 20 cm d'épaisseur maximum en ville, alors qu'elle atteint 50 cm le long de la côte pré-éruptive (jusqu'à 150 cm dans le Fornici selon30), où le dépôt était contrôlé par le nuage de cendres mélangé à l'eau ralenti et refroidi.

Les résultats de cette étude ont des implications sans précédent pour l'atténuation du risque volcanique au Vésuve et peut-être ailleurs. La zone rouge du Vésuve, où l'évacuation complète d'environ 700 000 personnes est prévue en cas d'une future éruption76, a été conçue sur la base de la probabilité d'invasion de PC dérivée des archives géologiques77. Bien que ce soit certainement l'objectif à atteindre, il reste incertain si la progression des troubles volcaniques laissera suffisamment de temps pour atteindre l'évacuation complète attendue avant l'éruption78. De plus, les ignimbrites pliniennes76 issues d'effondrements directionnels et partiels de la colonne éruptive s'écoulant confinées le long des vallées et sujettes aux détachements de nuages de cendres, sont plus susceptibles de correspondre à des ignimbrites formant des caldeiras axisymétriques79 provenant de PC couvrant à la fois toute la zone rouge77. Compte tenu de ces prémisses, nous suggérons que les édifices situés dans la zone rouge, indépendamment de la nécessité d'évacuer toutes les personnes avant l'éruption, soient renforcés pour pouvoir abriter les personnes de l'impact thermique des surtensions du nuage de cendres au cas où une évacuation complète ne serait pas réalisée à temps. En fait, alors que les zones exposées à une pression dynamique élevée de PC à haute concentration et à haute vitesse verront inévitablement l'effondrement des édifices et des structures avec très peu de chances de survie, d'autres zones peuvent être touchées par des nuages de cendres détachés de courte durée où le potentiel de survie dépend de manière critique de la capacité des abris à empêcher l'infiltration du gaz poussiéreux chaud. Cela pourrait permettre aux personnes qui n'ont peut-être pas eu la chance d'évacuer plus tôt de survivre et d'attendre les secours ou de pouvoir partir avant que d'autres PJ n'impactent la zone.

La préparation des échantillons de charbon de bois et l'analyse de la réflectance ont été effectuées au laboratoire ALBA de l'Université Roma Tre, à Rome. Les échantillons ont été délicatement nettoyés des particules de cendres et placés dans un mélange de résine époxy et de durcisseur. Après 48 h, ils ont été polis avec des papiers carborundum de différents grains (250, 500, 1000) puis polis avec des poudres d'alumine de granulométrie décroissante (1, 0,3, 0,1 μm). Les échantillons ont été analysés en immersion dans l'huile avec un système microscope-photomètre Zeiss Axioskop 40 A pol (système MPS) équipé d'une lampe tungstène-halogène (12 V, 100 W), d'un objectif à huile Epiplan-Neofluar 50 × /1,0, en utilisant une lumière incidente filtrée de 546 nm.

Des prismes monocristallins pour l'étalonnage du photomètre-réflexion ont été utilisés avant d'effectuer des mesures de réflectance au moyen du système MPS 200 de J&M pour garantir un étalonnage sur une large gamme de maturité thermique : spinelle (Ro = 0,426), saphir (Ro = 0,595), yttrium-aluminium-grenat (Ro = 0,905) et gadolinium-gallium-grenat (Ro = 1,726).

L'étalonnage de l'instrument a été répété après la mesure de chaque échantillon afin de maintenir la précision maximale et le coefficient de détermination (R2) de la droite de régression (basé sur trois étalons) égal ou supérieur à 0,99998. Pour une bonne représentativité statistique, un minimum de 50 mesures de réflectance ont été effectuées sur chaque échantillon de charbon de bois, en sélectionnant uniquement les fragments dont les surfaces n'avaient pas été altérées.

La version en ligne contient du matériel supplémentaire disponible. En cas d'informations complémentaires, contactez l'auteur correspondant AP

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Les auteurs remercient le parc archéologique d'Herculanum pour l'accès au site et l'autorisation de prélever des échantillons de bois. Nous remercions également le Laboratoire Académique d'Analyse de Bassin (ALBA) de l'Université Roma Tre pour l'utilisation de l'équipement pour l'analyse de la réflectance du charbon de bois. Nous remercions également les relecteurs anonymes pour leur contribution à l'amélioration du manuscrit.

Cette recherche a été financée par les départements de subventions d'excellence, MIUR-Italie (ARTICOLO 1, COMMI 314–337 LEGGE 232/2016). Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Département des sciences, Géologie, Université de Roma Tre, Largo S. Leonardo Murialdo 1, 00146, Rome, Italie

Alessandra Pensa, Guido Giordano & Sveva Corrado

ISPRA-Institut italien pour la protection et la recherche environnementales, Via Vitaliano Brancati 48, 00144, Rome, Italie

Alessandra pense

Département des sciences biomédicales avancées, Laboratoire d'ostéobiologie humaine et d'anthropologie médico-légale, Université Federico II de Naples, Via Pansini 5, 80131, Naples, Italie

Pier Paolo Petrone

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Ce manuscrit a été écrit par AP et GG, discuté et révisé par PP, SC, AP et GGAP a préparé des figures, des tableaux et du matériel supplémentaire. PP et GG ont collecté des échantillons de charbon de bois sur le site archéologique d'Herculanum. AP a réalisé une analyse de réflectance du charbon de bois au laboratoire ALBA de l'Université Roma TRE. PP, a coordonné des enquêtes sur les restes humains à Herculanoum pendant des décennies.

Correspondance avec Alessandra Pensa.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Pensa, A., Giordano, G., Corrado, S. et al. Un nouveau scénario de danger au Vésuve : impact thermique mortel des surtensions de nuage de cendres détachées en 79EC à Herculanum. Sci Rep 13, 5622 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32623-3

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Reçu : 02 novembre 2022

Accepté : 30 mars 2023

Publié: 06 avril 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-32623-3

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