Des volcans au sommeil agité

Crédit photo : Samuel Rochas

Des volcans au sommeil agité

On a tous vu un volcan. Qu’ils soient endormis sur l’axe nord-sud partant du massif central à la méditerranée, actifs en Guadeloupe, Martinique, Polynésie française et à la Réunion ou encore l’Etna en Italie.

Mais sait-on vraiment ce qui se passe dans leurs entrailles ? Doit-on s’attendre à des surprises ?

Un début de réponse est proposé par les Drs. Bergantz et Burgisser en développant un modèle théorique, qui permet d’orienter les efforts à faire, pour mieux comprendre le processus éruptif.

Avec le Dr. Alain Burgisser de l’Institut des Sciences de la Terre d’Orléans.

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Transcription

Commençons par les bases : décrivez-moi l’anatomie d’un volcan.

Vue d'un volcan en coupe.
Structure d’un volcan.
Par William Crochot.

Un volcan est un édifice qui fait parfois plusieurs kilomètres de hauteur mais surtout, c’est un édifice qui est alimenté par ce qu’on appelle une chambre magmatique, c’est-à-dire un réservoir de lave, qui se trouve à plusieurs kilomètres sous le volcan. C’est ce réservoir de lave qui alimente le volcan et qui permet les éruptions.

D’où vient le combustible, le magma ?

Ce réservoir est rempli de lave. La lave elle-même vient d’une partie qui est beaucoup plus profonde dans la Terre qu’on appelle le manteau, situé à plusieurs dizaines de kilomètres sous la surface de la Terre. C’est ce manteau, riche en lave extrêmement chaude, qui vient tranquillement alimenter ce réservoir de lave qui se trouve à mi-profondeur entre le manteau et la surface. Et c’est de là que tout le cycle d’un volcan peut se définir : il s’agit d’apporter du magma depuis le manteau jusqu’à la surface de la Terre.

À quel comportement de la part des volcans s’attendait-on avant vos travaux ?

Coulée de lave aa se refroidissant.
Coulée de lave aa.
U.S. Geological Survey.

Nos travaux sont partis d’une idée assez simple : que se passe-t-il quand un volcan s’endort et qu’est-ce qui permet de le réveiller ? Un volcan s’endort quand cette lave, qui se trouve à plusieurs dizaines de kilomètres sous le volcan, dans le réservoir, devient essentiellement très froide, très visqueuse. Elle forme une espèce de pâte très visqueuse qu’il est difficile de faire bouger. C’est une des raisons pour laquelle un volcan s’endort. Nos travaux se sont intéressés à ce processus d’éveil d’un volcan : comment faire pour que cette pâte, extrêmement visqueuse, qui ne bouge pas, se mette à devenir mobile et permette une éruption ?

Les anciennes vues sur ce problème mentionnaient que la lave qui revient du manteau remonte jusqu’à cette chambre magmatique et réveille le volcan. Comment le réveillait-elle ? C’est assez simple, il s’agit de réchauffer cette pâte lentement, très lentement puisque très visqueuse, et ce processus prenait plusieurs dizaines, centaines, voir plusieurs milliers d’années. Donc un processus extrêmement lent. On appelle cela du réchauffement par conduction. Conduction de chaleur, c’est-à-dire qu’on vient mettre un genre de four en dessous du réservoir magmatique et, tranquillement, la lave qu’il contient se met à se réchauffer en restant immobile. Ce processus très lent permettait d’imaginer qu’un volcan avait besoin, pour se réveiller, d’un apport de beaucoup de nouvelle lave et ce n’était qu’après un processus de conduction que le volcan était en capacité de se réveiller. Puisque la lave s’était réchauffée, elle devenait relativement fluide et donc prête à bouger.

De notre côté, nous somme partis sur nos recherches en étudiant la mécanique de cette matrice. La lave est un matériau complexe et réchauffer la lave provoque des changements dans son comportement qui sont loin d’être facile à comprendre. On a eu besoin d’expériences. On est parti sur les résultats expérimentaux de nos collègues qui eux ont réchauffé de la lave en laboratoire et se sont rendus compte que deux choses se produisaient :

  1. d’une part, elle devient de moins en moins visqueuse, donc de plus en plus fluide. Ce processus se passe par étapes. On réchauffe peu à peu de la lave, sa viscosité ne change pas et, tout à coup, la lave devient extrêmement visqueuse. Ce processus pourrait s’apparenter au réchauffement d’une fondue savoyarde : à un moment donné, le fromage se sépare du vin. Le vin est très liquide alors que le fromage fondu est très visqueux, il n’a pas envi de bouger. La lave est à peu près pareille, elle passe par une transition de très visqueux à très fluide.
  2. Second élément, elle devient de plus en plus légère. Ça, c’est comme les fluides habituels. L’eau, par exemple, qui, réchauffée, devient de plus en plus légère.

C’est la combinaison de ces deux choses que nous avons réunis dans un modèle mathématique qui nous a permis de réaliser que le réservoir magmatique, réchauffé et très visqueux, se comporter de manière convective. À partir d’un moment donné, la lave plus légère, moins visqueuse, était capable de retourner l’entièreté de la chambre magmatique. C’est ce mouvement de convection, extrêmement rapide, qui permet de réveiller une chambre non pas en plusieurs centaines ou milliers d’années, comme on le pensait auparavant, mais en quelques mois, voir quelques années. Donc un processus beaucoup plus rapide que ce qu’on imaginait auparavant.

Une petite parenthèse, comment fait-on pour réchauffer de la lave en laboratoire ?

Ouvrier devant un haut fourneau en fonction.
Coulée continue dans un haut-fourneau.
Par Jean-Pol Grandmont.

On la met dans un four ! Un four qui ressemble aux hauts-fourneaux dans lesquels on fait fondre du métal, par exemple, pour fabriquer des objets. On a ce même type de fours sur lesquels on a adapté des systèmes de hautes pressions. La lave se trouvant à des dizaines de kilomètres de profondeur, cela représente des pressions énormes de plusieurs milliers d’atmosphère. Ces fours à haute-pression nous permettent de prendre des petits volumes de lave de quelques centimètres (de la taille d’un crayon ou d’une gomme), pour les réchauffer et expérimenter dessus.

Ce modèle que vous avez développé, s’applique-t-il à tous les types de volcans ?

Volcan disparaissant sous un nuage de cendres.
Nuées ardentes dévalant les flancs du Mayon.
Par C.G. Newhall, U.S. Geological Survey.

Il s’applique à la plupart des volcans qu’on qualifie d’explosifs. Dans ces cas là on a une lave extrêmement visqueuse, une pâte qui répond bien aux critères que nous avons utilisés dans le modèle mathématique. Le modèle, par exemple, ne s’appliquerait pas aux volcans qui alimentent les rides médio-océaniques. À ces endroits là, la lave est très peu visqueuse. Cela inclut les volcans comme ceux d’Hawaï qui sont pratiquement en activité continue et où la lave ne se fige pas de la même manière. Notre modèle s’applique à la plupart des volcans qui provoquent des dégâts par explosions.

Avez-vous pu tester ce modèle ?

Nuage de cendre s’échappant du cratère du volcan.
Vue aérienne d’une explosion du Pinatubo.
Par T. J. Casadevall, U.S. Geological Survey.

On l’a testé mais uniquement à posteriori. On a pris deux éruptions de deux volcans. Le premier est le mont Pinatubo qui a fait éruption en 1991. La deuxième plus grande éruption du XXe siècle. On a pris toutes les données qu’on a pu récupérer sur cette éruption. Une des donnée absolument fondamentale est le type de lave sortie. Après l’éruption, les gens qui sont allés récupérer les débris de lave sorties du volcan, ont pu faire des analyses dessus et nous ont donné des indications précieuses qui nous ont permis de déterminer les caractéristiques de ce volcan.

Deux mois avant l’éruption de 1991, les scientifiques qui travaillaient là-bas à l’époque, ont récupérés un certain nombre de signaux sismiques indicateurs de l’arrivée de lave fraîche. Donc ce que l’on sait sur ce volcan, c’est qu’il a fallut environ deux mois pour passer d’une chambre magmatique figée à une suffisamment mobile pour permettre une éruption. La théorie classique, prédisait 500 ans pour réussir à réchauffer cette lave. Notre modèle, une fois appliqué, prévoyait entre 20 et 80 jours. Cela correspond relativement bien à l’observation faite de deux mois.

Le volcan de la Soufrière sur un lit de verdure.
La Soufrière de Montserrat.
Par Patrick Smith.

Confiants, nous avons appliqué ce modèle à un autre volcan : la Soufrière de Montserrat. Dont la dernière éruption commencée en 1995-1996 est encore en cours. Là aussi, la théorie prédisait plusieurs centaines d’années. En réalité, le volcan s’est réveillé en une année et notre modèle prédisait des durées équivalentes.

Ce modèle a-t-il des aspects prédictifs ? Est-ce que vous pourriez réévaluer la dangerosité d’autres volcans ?

On aurait aimé mais cela reste difficile pour deux raisons :

  • réveiller une chambre magmatique est une condition nécessaire mais pas suffisante pour obtenir une éruption. Ce n’est pas parce que la chambre est réveillée et mobile que forcément le volcan entrera en éruption. Il manque un certain nombre de choses. Par exemple, mettre la chambre magmatique sous-pression. Cela peut s’apparenter trivialement au réveil qui sonne le matin mais qui ne veut pas dire que l’on va sortir du lit.
  • d’autre part, il nous faudrait ces indications précieuses qu’on a pu récupérer à Pinatubo. Notamment le type de lave se trouvant dans les profondeurs ; la possibilité de prédiction repose là-dessus. C’est une tâche difficile puisque la lave se trouve à des dizaines de kilomètres de profondeurs.

Est-ce que ce modèle peut s’appliquer à autre chose que du magma ?

Morceaux de sel cristallisé.
Cristaux de sel en gros plan.
Par André Karwath.

Sans doute mais il faudrait que le matériau corresponde aux caractéristiques d’une lave. Notamment le fait que la lave refroidie passe d’un état liquide à un état solide en formant des cristaux. Tout matériaux qui cristallise pourrait avoir une application pour ce modèle. Cela pourrait être des cristaux de sel dans un liquide… La présence de cristaux dans l’objet auquel appliquer ce modèle est fondamentale.

Le Mont Blanc enneigé.
Face sud du Mont Blanc vu depuis Valmorel.
Par Matthieu Riegler.

Dans un autre domaine que la volcanologie, ce modèle a un intérêt pour ceux qui s’occupent de la formation des montagnes. Notamment des montagnes granitiques, comme le Mont Blanc. La formation de ces montagnes répond à certaines règles proches de celle des volcans. On pense que ces montagnes sont formées de chambres magmatiques gelées n’ayant pas eu la « chance » de faire éruption et remontées progressivement des profondeurs par l’action des forces tectoniques. Je pense que nos résultats peuvent lier davantage ce qu’on observe sur les volcans et sur les massifs granitiques du type du Mont Blanc.

Quelle est l’étape suivante après avoir développé ce modèle ?

Le modèle pointe du doigt les véritables caractéristiques contrôlant le réveil d’une chambre magmatique. Nous manquons encore de précisions concernant la viscosité. On a encore de fortes erreurs sur l’estimation de la viscosité d’un magma. Cela encourage donc plus d’expériences afin d’obtenir des lois de viscosité encore plus précises. Cela pourra aussi encourager d’autres communautés comme les géophysiciens (dont le travail consiste à interpréter les signaux de la Terre) qui utilisent ces signaux pour essayer de déterminer les caractéristiques des chambres magmatiques : leurs profondeurs et leurs teneurs en cristaux. Les cristaux sont essentiels à l’estimation d’une viscosité. Il existe des méthodes développées actuellement, notamment basées sur les ondes sismiques et les champs électriques, permettant de relier un signal observé sur un volcan avec un potentiel de cristallinité, de type de lave et de chambre magmatique. Ce modèle met donc l’accent sur ces deux choses sur lesquelles nous pouvons continuer de travailler.

Le Docteur Alain Burgisser est chargé de recherche à l’Institut des Sciences de la Terre d’Orléans.

Le modèle théorique, réalisé en collaboration avec le Professeur Georges Bergantz de l’Université de Washington, a été publié dans le journal Nature (DOI : 10.1038/nature09799)

« Mon esprit n’est qu’un magma bouillonnant de pensées scintillantes et d’idées turgides. »
Sam and Max Hit the Road