Les super-éruptions sont déclenchées par la force ascensionnelle
Jusqu'à présent, on ne savait pas comment les supervolcans entraient en activité. Les scientifiques ont désormais démontré que la seule pression générée par les différences de densité entre le magma et les roches environnantes peut suffire à faire entrer en éruption de tels géants.
Les supervolcans ne sont pas des volcans tels qu'on les conna?t. En n'entrant pas en "éruption" mais en explosant véritablement, ils laissent derrière eux, au lieu d'un c?ne volcanique, un énorme trou dans la cro?te terrestre, une caldeira, dont le diamètre peut atteindre une centaine de kilomètres. En moyenne, les supervolcans sont actifs moins d'une fois tous les 100 000 ans ; aucun n'était actif à l'époque historique. C'est pourquoi les chercheurs ne peuvent se faire une vague idée de ces événements qu'à partir des couches de cendres et de roches qui nous sont parvenues.
Une équipe de chercheurs dirigée par la professeure de l'ETH Carmen Sanchez-Valle a désormais identifié un déclencheur de super-éruptions. Elle a déterminé expérimentalement la densité du magma des supervolcans. Elle a ainsi pu démontrer que la surpression provoquée par les différences de densité dans la chambre magmatique peut déclencher une super-éruption. La chambre magmatique est la chambre remplie de magma située dans la cro?te terrestre sous le volcan. Ces nouvelles connaissances pourraient aider à mieux évaluer les supervolcans "endormis", par exemple la vitesse à laquelle leur magma peut traverser la cro?te terrestre et atteindre la surface.
Chambre magmatique trop grande
Les supervolcans connus sont la caldeira de Yellowstone aux ?tats-Unis, le lac Toba en Indonésie et le lac Taupo en Nouvelle-Zélande. Mais les champs Phlégréens près de Naples, plut?t petits en comparaison, comptent également parmi les quelque 20 supervolcans connus à ce jour sur la Terre.
On savait depuis longtemps que l'éruption des supervolcans - comme c'est le cas pour les volcans conventionnels - n'était pas uniquement déclenchée par une surpression due à l'afflux de magma dans la chambre magmatique. La chambre magmatique d'un supervolcan peut avoir une épaisseur de plusieurs kilomètres et une largeur allant jusqu'à cent kilomètres. Elle est donc beaucoup trop grande pour maintenir une surpression suffisante gr?ce à l'apport de magma.
"Comparable à un ballon de football sous l'eau"
? propos du déclencheur d'une super-éruption, on ne pouvait jusqu'à présent que spéculer. On pensait qu'un mécanisme possible était que la surpression dans la chambre magmatique était générée par des différences de densité entre le magma en fusion, moins dense, et les roches solides environnantes, comparativement plus denses. "L'effet est comparable à la poussée d'un ballon de football rempli d'air sous l'eau, qui est poussé vers le haut par l'eau environnante plus lourde", explique Wim Malfait, premier auteur de l'étude, jusqu'à récemment encore à l'ETH Zurich et maintenant chercheur à l'Empa.
Pour que le magma puisse percer la roche crustale au-dessus de la chambre magmatique et se frayer un chemin vers la surface, il faut une pression 100 à 400 fois supérieure à la pression atmosphérique (10 à 40 mégapascals). Pour déterminer si les différences de densité peuvent générer une pression aussi élevée, il faut conna?tre la densité du magma en fusion et celle des roches environnantes. Or, celle du magma en fusion n'a pas pu être mesurée directement jusqu'à présent.
Première détermination de la densité du magma
Les chercheurs autour de Malfait ont maintenant réussi pour la première fois à déterminer la densité du magma des supervolcans à l'aide des rayons X de l'European Synchrotron Radiation Facility à Grenoble. Ils les ont utilisés pour étudier des magmas fondus artificiellement dans différentes conditions de pression et de température. Selon les scientifiques, tant la fonte que la pression et la température correspondaient aux conditions naturelles d'un supervolcan. Les chercheurs ont également fait varier la teneur en eau de la masse fondue. Sur la base des différents paramètres, ils ont formulé des équations mathématiques qui leur ont permis de modéliser les conditions d'un supervolcan.
"Nos résultats montrent que si la chambre magmatique est suffisamment grande, la surpression causée par les différences de densité suffit à elle seule à percer la cro?te qui la recouvre et à déclencher une éruption", explique Sanchez-Valle. Les mécanismes qui favorisent les éruptions volcaniques traditionnelles, comme la saturation du magma en vapeur d'eau ou les tensions tectoniques, peuvent certes aussi jouer leur r?le, mais ne sont pas nécessaires pour déclencher une super-éruption, soulignent les chercheurs dans une étude publiée dans la revue Nature Geoscience. Dans le même numéro de la revue est parue une autre étude indépendante dans laquelle des chercheurs de l'Université de Genève et d'autres institutions concluent, à partir de calculs de modèles informatiques, que la poussée du magma est effectivement la clé de l'éruption des supervolcans.
Les supervolcans sont considérés comme une menace sérieuse, bien que rare. Comme ils ne sont pas faciles à reconna?tre en raison de leur aspect atypique, on en découvre encore de nouveaux aujourd'hui. Les éruptions de supervolcans font généralement remonter à la surface et dans l'atmosphère au moins 450 kilomètres cubes de roches et de cendres, voire, assez souvent, plusieurs milliers de kilomètres cubes. Les cendres et les fragments de roches, avec leurs composants chimiques nocifs pour l'environnement, peuvent s'élever jusqu'à plus de 30 kilomètres dans l'atmosphère lors des éruptions explosives et avoir des effets dévastateurs sur le climat et la vie sur Terre. Les éruptions spectaculaires et lourdes de conséquences du Krakatau (1883) et du Tambora (1815), tous deux des volcans conventionnels de l'actuelle Indonésie, sont comparativement "inoffensives" et leurs masses éjectées ne représentent que quelques pour cent d'une super-éruption.
Référence bibliographique
Malfait WJ, Seifert R, Petitgirard S, Perrillat JP, Mezouar M, Ota T, Nakamura E, Lerch P, Sanchez-Valle C : Supervolcano eruptions driven by melt buoyancy in large silicic magma chambers. Nature Geoscience, publication en ligne le 5 janvier 2014, doi : page externe10.1038/ngeo2042
Caricchi L, Annen C, Blundy J, Simpson G, Pinel V : Frequency and magnitude of volcanic eruptions controlled by magma injection and buoyancy. Nature Geoscience, publication en ligne le 5 janvier 2014, doi : doi : page externe10.1038/ngeo2041