Mieux comprendre les éruptions volcaniques

Si les chercheurs ne comprennent pas entièrement les mécanismes qui contrôlent l’ampleur des éruptions, ils savent néanmoins qu’elles sont mues par l’expansion rapide de bulles formées par l’eau et d’autres substances volatiles emprisonnées dans la roche en fusion qui remonte vers la surface sous un volcan. Ce mécanisme s’apparente à ce qui se produit lorsqu’on agite une bouteille de boisson gazéifiée avant de la déboucher. C’est l’influence réciproque de la croissance des bulles et de la libération de gaz qui détermine si le volcan, ou la boisson, produit une éruption violente ou libère lentement ses gaz. L’étude de la formation et de la croissance des bulles, ainsi que de leurs effets sur les propriétés du magma fournit donc des renseignements clés pour rehausser notre compréhension des éruptions volcaniques et, ultérieurement, mieux en prédire l’ampleur.

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le professeur Don R. Baker du Département des sciences de la Terre et des planètes de l’Université McGill vient de publier une nouvelle étude dans la revue Nature Communications qui donne à penser que la différence entre une petite et une grande éruption dépend des dix premières secondes de croissance des bulles dans la roche en fusion. Ces constatations soulignent la nécessité d’établir des réseaux de surveillance des volcans pouvant mesurer des changements rapides du flux et de la composition des gaz durant ces instants brefs, mais cruciaux. 

Les chercheurs ont examiné la croissance de bulles volcaniques en temps réel. En chauffant de la roche en fusion contenant de l’eau à l’aide d’un système de chauffage au laser mis au point récemment à la Source de Lumière Suisse, à Villigen, en Suisse, ils ont pu effectuer la microtomographie X tridimensionnelle d’échantillons durant les 18 premières secondes de croissance de bulles et de moussage. Les images ainsi obtenues leur ont permis de mesurer le nombre et la taille des bulles, d’examiner la géométrie des contacts entre ces dernières et de déterminer le taux de libération des gaz et de diminution de la résistance de la mousse. 

Les chercheurs ont constaté que des milliers de petites bulles au centimètre cube se forment initialement, piégeant ainsi le gaz, mais qu’elles coalescent rapidement en une mousse constituée de bulles plus grandes dont la résistance diminue rapidement parallèlement à une augmentation du taux de libération du gaz. Tous ces changements se produisent au cours des 15 premières secondes de croissance des bulles. Les chercheurs ont ensuite cerné les conditions de formation et de croissance des bulles menant à leur rupture dans la roche en fusion.

À la lumière de ces résultats, Don Baker et son équipe postulent que des roches en fusion, contenant ne serait‑ce qu’une infime quantité d’eau pourraient produire de grandes éruptions dévastatrices. Si, dans la plupart des cas, la croissance des bulles est limitée par une libération suffisamment rapide des gaz, donnant lieu à de petites éruptions, un taux d’expansion des bulles exceptionnellement élevé ou des conditions empêchant la coalescence des bulles peuvent produire de grandes éruptions.

Ces résultats constituent une petite – bien qu’importante – avancée vers l’atteinte de l’objectif, soit la capacité de prédire le type d’éruption selon la région volcanique. « Les travaux futurs devront se concentrer sur les premières secondes de croissance des bulles et sur les effets des cristaux sur cette dernière », précise Don Baker.

Les coauteurs de l’étude sont Francesco Brun, de l’Universita' degli Studi di Trieste (Italie), Lucia Mancini d’Elettra - Sincrotrone Trieste, Cedrick O'Shaughnessy, ancien étudiant à la maîtrise de McGill, Julie L. Fife de la Source de Lumière Suisse à l’Institut Paul Scherrer, et Mark Rivers, de l’Université de Chicago.

L’étude a bénéficié du soutien financier du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada et de la Source de Lumière Suisse.

Pour accéder à l’étude : http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n10/full/ncomms2134.html

PHOTO  DON R. BAKER