dimanche 8 décembre 2013

Des ondes de gaz pour expliquer la périodicité des éruptions volcaniques explosives

Pour Agreg et CAPES
Thème : volcanisme, magmatisme

Contribution rédigée par Philippe Sarda, Professeur Université Paris Sud

 
La Soufrière Hills de Montserrat (©Anthony Finizola - IPGP2013)


Les volcans actifs au magma riche en silice, typiques des zones de subduction, présentent souvent une activité périodique. A la Soufrière Hills (Ile de Montserrat) comme au Mont Pinatubo (Philippines) ou au volcan Sakurajima (Japon) des cycles périodiques de déformation du sol et de sismicité, accompagnés de dégazage et d’activité éruptive, ont été enregistrés. Par exemple, à Montserrat, en 1996-1997, des épisodes récurrents de bombement (inflation) et de déflation de l’édifice volcanique avec des périodes de 6 à 30 h étaient accompagnés par des essaims sismiques. Le pic du cycle de déformation et de sismicité correspondait à des épisodes éruptifs importants comme des écoulements pyroclastiques, des éruptions vulcaniennes ou des épisodes de croissance rapide du dôme. Un comportement très similaire est enregistré au Sakurajima. Ainsi, les observations de cycles de déformation et de dégazage sont d’une importance cruciale pour prédire une éruption.


La lave qui pénètre dans le conduit et débute son ascension est un mélange de magma et de gaz (sous forme de bulles). C’est sur la physique de ce problème très particulier d’écoulement à deux phases (magma et gaz) que se sont penchés les auteurs de l’article paru récemment à Nature Geosciences : une équipe internationale de chercheurs français, de l’Institut de physique du globe de Paris (CNRS/ Paris Diderot/ Cité Paris Sorbonne) et du Laboratoire de géologie de Lyon Terre Planète Environnement (CNRS/ Université de Lyon 1/ ENS)), américain, de l’Université de Yale, et britannique, de l’Université de Bristol.


Et ils ont trouvé un nouveau processus qui doit avoir lieu dans le conduit.
D’un côté, par décompression et du fait de sa faible densité, le gaz a tendance à se détendre, à se séparer du magma (les bulles se soudent entre elles) et à remonter plus vite que celui-ci dans le conduit : c’est en somme ce qui se passe après l’ouverture d’une bouteille de champagne ; c’est le gaz qui fait sauter le bouchon. 

D’un autre côté, pour laisser passer le gaz, le magma se déforme et se compacte : le gaz comprime le magma. Mais la compressibilité du magma n’est pas très grande comparée à celle du gaz, et la magma empêche donc le gaz de se détendre beaucoup : la magma tend donc à comprimer à son tour le gaz.
S’instaure alors une compétition entre compression du gaz à cause de la résistance du magma et expansion du gaz contenu dans les bulles à cause de l’ascension et de la décompression.


Grâce à leurs calculs, les auteurs montrent que cette compétition doit produire un comportement périodique. Il se créée des zones compactées, peu riches en bulles de gaz, alternant avec des zones riches en bulles de gaz sur une longueur bien spécifique qui donne au phénomène un caractère ondulatoire. C’est pourquoi les auteurs appellent "onde de gaz" cette alternance entre zones riches en bulles et zones peu riches en bulles : l’ensemble remonte dans le conduit et se manifeste en surface par des explosions périodiques.
Les calculs prédisent qu’un onde de gaz aurait une longueur d’onde assez étroitement définie car s’il elle était trop courte, elle disparaîtrait, et si elle était trop longue, le gaz serait brutalement évacué. La longueur d’onde prédite par cette théorie est en bon accord avec les observations de cyclicité mentionnées plus haut.
Ce phénomène physique explique donc le comportement cyclique des volcans riches en silice. Sa connaissance doit aussi permettre de mieux prédire encore les éruptions.




"Source : Actualités du CNRS-INSU" du Samedi 14 Septembre 2013: http://www.insu.cnrs.fr/node/4491


Article original :
Eruption cyclicity at silicic volcanoes potentially caused by magmatic gas waves,
Chloé Michaut_1, Yanick Ricard2, David Bercovici3 and R. Steve J. Sparks4. Nature Géoscience, doi:10.1038/ngeo1928, 2013.
1-Institut de Physique du globe de Paris (CNRS, Paris Diderot, Cité Paris Sorbonne)
2-Laboratoire de Géologie de Lyon, CNRS, Université Lyon 1, ENS Lyon, 
3-Dept of Geology and Geophysics, Yale University, USA 
4-Dept of Earth Sciences, University of Bristol, UK

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