À Mayotte, un volcan vient de naître

À Mayotte, un volcan vient de naître

 

par Nicolas Butor Pour la Science —  02 août 2019

 

Pour la première fois dans l’histoire, la formation d’un nouveau volcan a été observée « en direct » à 3 500 mètres de profondeur au large de Mayotte. Stéphan Jorry, chercheur à l’Institut français de recherche pour l’exploitation de la mer (Ifremer) raconte cette découverte.

 

 

Comment avez-vous découvert ce volcan ?

 

C’est une découverte scientifique unique. Mayotte n’était pas considérée comme une zone sismique : le dernier séisme avait eu lieu dans les années 1990, et avait été faiblement ressenti. Mais à partir de mai 2018, plusieurs séismes se sont succédé. Ça a été un choc pour la population ; des gens ont dormi dehors pendant des nuits… Nous sommes donc partis en campagne pour comprendre ce phénomène et éclairer la population mahoraise, la préfecture de Mayotte et le ministère de la Transition écologique et solidaire.

 

L’essentiel de l’activité sismique est localisée à 5-10 km au large de l’île de Petite-Terre. Mais, lors de nos deux premières campagnes, Mayobs 1 en mai 2019 puis Mayobs 2 en juin, nous avons mis en évidence, à 50 km de l’île, en continuité avec la zone de sismicité, un volcan sous-marin de 800 mètres de hauteur sorti du fond en l’espace d’une année ! Grâce aux données bathymétriques recueillies, nous avons calculé que 5 km³ de lave ont été émis depuis juin 2018, soit environ 30 % de la production annuelle de magma sur l’ensemble des volcans associés aux dorsales océaniques de la planète. C’est exceptionnel, même pour des volcans terrestres.

 

Quelle est l’origine de ce volcan ?

 

Pour l’heure, il est difficile de répondre. Peut-être est-ce un point chaud, avec une chambre magmatique très profonde d’où remonte du magma. Il pourrait aussi s’agir d’une ride océanique, c’est-à-dire de la limite d’une plaque.

 

Plusieurs équipes travaillent sur le sujet. L’Institut français de recherche pour l’exploitation de la mer (Ifremer) étudie les éléments présents à l’état de traces dans les roches, comme le rubidium ou l’uranium, et une équipe à l’université Clermont-Auvergne se penche sur la géochimie de ces laves, en coordination avec l’institut de physique du globe de Paris (IPGP). Nous avons aussi collecté sur le volcan actif des roches qui se sont révélées très riches en gaz. La mesure de la concentration en isotopes de l’hélium nous renseignera sur la profondeur de la source. Tous ces indices vont nous aider à préciser le contexte géodynamique.

 

D’autres campagnes d’observation sont-elles prévues ?

 

Deux nouvelles campagnes, Mayobs 3 et 4, ont été organisées en juillet. Pour Mayobs 3, dirigée par Isabelle Thinon, du Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM), il s’agissait de récupérer des sismomètres au fond de la mer, qui avaient été repêchés puis redéposés pendant Mayobs 2. Le but est de mieux localiser les séismes, horizontalement et en profondeur.

 

Pour Mayobs 4, codirigée par Nathalie Feuillet, de l’IPGP, et Yves Fouquet, de l’Ifremer, les chercheurs ont utilisé le Scampi, une caméra tractée près du fond océanique, pour observer en direct l’activité magmatique, ainsi que la CTD Rosette, qui piège de l’eau que nous pourrons analyser. Ils ont aussi utilisé de nouvelles dragues pour compléter les échantillons de roche. Enfin, à l’aide d’outils plus précis, ils ont affiné la connaissance de la structure du fond océanique, notamment sur son évolution depuis juin.

 

Qu’espérez-vous apprendre ?

 

Aujourd’hui, aucun modèle n’explique ce phénomène ; nous allons donc probablement en apprendre beaucoup en termes de géodynamique. De plus, ce volcan sous-marin étant tout neuf, nous allons pouvoir suivre la colonisation de ce relief par les organismes vivants. On peut aussi s’intéresser à l’influence des fluides du volcan – qui s’échappent sur 2 km de haut – et de la sismicité sur la composition chimique de l’océan… Pour l’instant ce ne sont que des questions, mais les perspectives scientifiques sont grandes.

Le Grand livre des volcans du monde

Le Grand livre des volcans du monde

 

Ce livre est le plus récent (mars 2010) ouvrage de Jacques-Marie Bardintzeff, un volcanologue averti :

Le grand livre des volcans du monde, séismes et tsunamis, Editions Orphie, 160 pages en couleur, 23,80 euros.

 

 

L’auteur Jacques-Marie Bardintzeff est volcanologue, agrégé et docteur d'État, professeur à l'Université de Cergy-Pontoise et à l'Université Paris-Sud Orsay.

 

Volcans, séismes, tsunamis ont depuis les origines suscité la curiosité mais aussi la crainte des hommes. La peur qu’ils inspirent, leurs manifestations aussi soudaines que dévastatrices, la beauté des laves en fusion leur confèrent un mystère qui aiguise les passions.

 

Comment naissent, vivent et meurent les volcans ? Où sont-ils situés et à quoi ressemblent-ils ?

 

Comment prévenir leurs colères et mettre à profit leurs richesses ? Peut-on limiter les conséquences terribles des séismes et des tsunamis et quels moyens de protection doit-on mettre en œuvre pour s’en prémunir ?

 

Quelles sont, en France (métropole et Outre-mer) et ailleurs, les régions à risques ? Autant d’énigmes que ce voyage à travers les différentes régions du monde et jusqu’au centre de la Terre, tente d’élucider.

Spécialiste des risques naturels dans le monde, Jacques-Marie Bardintzeff a écrit une grande quantité d’ouvrages et d’articles scientifiques et a collaboré à de nombreuses émissions de radio ou de télévision.

 

Les super volcans : Voir l'article de Futura-Science

 

La Soufrière de Guadeloupe sondée par rayons cosmiques

La Soufrière de Guadeloupe sondée par rayons cosmiques

par Nolwenn Lesparre[1], Dominique Gibert[2]

et Jacques Marteau[3]

(Pour la Science n° 434, décembre 2013 pp. 44-51)

Prévoir les éruptions volcaniques reste un défi pour les scientifiques. Une nouvelle méthode appliquée à la surveillance de la Soufrière de Guadeloupe : la radiographie par les muons cosmiques une solution qui permet de radiographier l'intérieur des volcans ?

 

(Pour la présentation de la Soufrière voir les articles La Soufrière de Guadeloupe et La Soufrière de Guadeloupe et ses séismes dans ce même blog)

 

Parmi les différents scénarios d'éruptions envisageables pour la Soufrière, on peut craindre un effondrement du dôme, une éruption phréatique ou une remontée de magma. Risque-t-on une explosion du type de celle de 1980 au Mont Saint-Helens, comme cela s'est déjà produit il y a quelque 3 000 ans ? Pour prévoir ces événements de façon fiable et suffisamment à l'avance pour évacuer les populations concernées, les volcanologues disposent de diverses méthodes pour ausculter le volcan et essayer de prévoir quand surviendra un tel événement et quelle en sera la violence. Une nouvelle méthode a été expérimentée à la Soufrière : la radiographie par les muons cosmiques.

 

La Soufrière de Guadeloupe

 

En quoi consiste la méthode ?

Elle n'est pas sans rappeler la radiographie aux rayons x. Ces derniers traversent l'organisme, sont plus ou moins absorbés par les tissus et les os qu'ils rencontrent sur leur passage, et nous donnent des images de l'intérieur du corps humain, liées à cette absorption variable. De même, les rayons cosmiques traversent la matière. Serait-il possible d'observer les entrailles des volcans au moyen de ces rayons cosmiques, plus ou moins absorbés par la matière qu'ils traversent ? L'idée fut proposée au milieu des années 1960 par l'équipe de Luis Alvarez (1911-1988), lauréat du prix Nobel de physique en 1968 : il suggéra d'utiliser les rayons cosmiques pour ausculter la grande pyramide de Khéphren et y rechercher la chambre de la Reine.

 

Découverts en 1912 par le physicien américain d'origine autrichienne Victor Hess, les rayons cosmiques arrivant sur Terre sont constitués d'une « pluie » de particules produites par les rayons cosmiques primaires qui bombardent l'atmosphère terrestre. Les particules produites dans ces «cascades» sont de natures variées : électrons et photons, entre autres, mais aussi muons. Le muon est une particule élémentaire qui a les mêmes propriétés que l'électron, si ce n'est qu'il est instable (sa durée de vie est égale à 2,2 microsecondes) et que sa masse est environ 200 fois supérieure (206,8 fois précisément). Les muons sont parfois surnommés électrons lourds. Ce sont ces muons qu'utilisa l'équipe d'Alvarez pour « voir » à travers les épaisses parois de la pyramide.

 

C'est au milieu des années 1990 que l'équipe japonaise de Kanetada Nagamine eut l'idée d'utiliser les muons cosmiques pour ausculter les volcans. Depuis, les détecteurs de particules ont été notablement améliorés, ce qui a conduit plusieurs équipes à s'intéresser à la radiographie des volcans à l'aide des muons. Avoir accès à de telles images permettrait de suivre l'évolution des entrailles des volcans et, par exemple, de détecter une remontée de magma ou l'apparition de poches de vapeur avant toute manifestation visible.

 

Parmi ces équipes, le groupe Diaphane réunit des géophysiciens et des physiciens des particules de l'Institut de physique du Globe de Paris, de l'Institut de physique nucléaire de Lyon et du laboratoire Géosciences Rennes. Cette équipe mène des expériences sur plusieurs volcans aux Philippines, sur l'Etna et aux Antilles, où elle s'intéresse surtout à la Soufrière, surveillée en permanence par l'équipe de l'Observatoire volcanologique de Guadeloupe.

 

Rappelons que ce volcan subit des éruptions phréatiques, c'est-à-dire l'expulsion violente de grands volumes d'eau sous forme de panaches de vapeur. L'accès du volcan est difficile car le sommet (1 467 mètres) est entouré d'une forêt tropicale dense jusqu'à 1 100 mètres d'altitude dans un relief abrupt. Les pluies tropicales abondantes sont accompagnées de fortes rafales, toutes conditions qui rendent la surveillance difficile. Dès lors, la tomographie par rayons cosmiques présente l'intérêt théorique de suivre les entrailles du volcan sans avoir à l'escalader. Restait à démontrer la faisabilité de la méthode et sa fiabilité.

 

Les muons, que nous avons déjà mentionnés, sont produits à une quinzaine de kilomètres d'altitude lors des collisions entre les rayons cosmiques primaires et les atomes de l'atmosphère. Les particules primaires résultent de phénomènes astrophysiques violents, telles les explosions d'étoiles en supernovae, au cours desquelles elles sont accélérées. Les plus énergétiques détectées à ce jour ont une énergie d'environ 3,2 x 10²⁰ électronvolts, c'est-à-dire plus que les plombs d'une carabine à air comprimé !

 

Lorsqu'elles pénètrent dans l'atmosphère, ces particules heurtent les molécules d'air. Sous le choc, de nouvelles particules sont libérées et se désintègrent à leur tour. Une cascade de désintégrations conduit à une averse de particules, nommée gerbe atmosphérique. Certains observatoires – HESS2, en Namibie, ou l'Observatoire Pierre Auger, en Argentine – sont consacrés à l'étude de ces phénomènes.

 

Les muons représentent cinq pour cent des milliards de particules qui constituent une gerbe atmosphérique. Leur énergie est comprise entre quelques dizaines et quelques milliers de gigaélectronvolts. Ils se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière dans le vide, ce qui allonge considérablement leur durée de vie apparente grâce à des effets relativistes. Cela leur permet de traverser l'atmosphère et d'atteindre le sol. Aux énergies considérées, les muons interagissent essentiellement par ionisation des atomes de la matière qu'ils traversent.

 

Les muons que... presque rien n'arrête

 

La perte d'énergie est approximativement constante et d'environ deux mégaélectronvolts par centimètre d'eau traversée. L'atmosphère ayant une épaisseur équivalant à dix mètres d'eau, les muons perdent deux gigaélectronvolts pour parvenir jusqu'au sol.

 

Les muons ne s'arrêtent pas en touchant le sol. Ils traversent la matière, où ils perdent de l'énergie plus rapidement que dans l'air. Si leur énergie est suffisamment grande et l'obstacle pas trop dense, ils peuvent le traverser de part en part. Si la densité de l'obstacle est trop élevée, ils sont arrêtés. On retrouve ici le principe de la radiographie aux rayons x, et on peut l'appliquer à la radiographie (ou tomographie) de l'intérieur d'un volcan. On mesure l'atténuation du flux de muons cosmiques produite par le volcan. L'atténuation augmente avec la quantité de matière traversée ou plus précisément l'opacité, c'est-à-dire le produit de la densité moyenne par la longueur du trajet dans le volcan.

 

Principe de la radiographie des montagnes par les muons

(Pour zoomer, cliquer sur l'image)

 

Le principe décrit, comment procède-t-on en pratique ? On dispose d'un détecteur de particules – également nommé télescope, car on observe des rayons cosmiques – placé au pied du volcan et qui enregistre un flux de muons. Le télescope utilisé à la Soufrière est robuste, résistant aux variations de température, insensible aux pluies tropicales et aux ouragans. Il est également léger et maniable, transportable par hélicoptère et déposé sur des pentes escarpées. Deux ou trois personnes peuvent l'installer. Un vérin hydraulique et une base rotative permettent de modifier l'orientation du télescope et de l'ajuster avec précision. Il est alimenté par des panneaux solaires, une éolienne ou une pile à combustion.

 

Le détecteur de particules ou télescope

 

 Le télescope est équipé de barreaux scintillants arrangés en deux séries perpendiculaires, de façon à former un damier constituant une matrice. Un télescope comporte au minimum trois matrices de 256 pixels de 25 centimètres carrés permettant de détecter les muons provenant de 961 directions différentes. La résolution angulaire est adaptée en ajustant la distance entre les matrices.

 

Lorsqu'une particule chargée traverse un barreau, la matière est ionisée et émet des photons avant de revenir à son état initial. L'énergie perdue par l'ionisation d'un muon produit entre 15 000 et 20 000 photons ultraviolets. Une fibre optique, collée au cœur du scintillateur, capture une partie de ces photons et les guide vers un photomultiplicateur qui produit une impulsion électrique. Ainsi, les muons produisent des photons que le photomultiplicateur convertit en électrons, signal électrique amplifié et mis en forme par un système électronique adapté de l'expérience OPERA (dédiée à l'étude des particules élémentaires nommées neutrinos). Les horloges utilisées pour repérer le passage de chaque muon ont une précision de quelques dizaines de picosecondes. Un ordinateur central collecte les informations provenant des différentes matrices et, dans le cas de la Soufrière, les transmet à l'observatoire volcanologique situé à une dizaine de kilomètres du volcan. Cela permet de mesurer un flux de muons en temps réel et de détecter d'éventuelles variations dues à des changements de conditions à l'intérieur du massif.

 

Le flux de muons décroît quand l'opacité augmente, et la mesure de son atténuation reflète les variations de densité à l'intérieur de l'objet sondé. Pour modéliser les variations de densité dans le volcan, nous résolvons ce que l'on nomme un problème inverse, méthode qui nous permet de déduire l'opacité du volcan du flux de muons l'ayant traversé. La tomographie par analyse du flux de muons nous donne des images de densité avec une résolution d'une vingtaine de mètres.

 

Comment calibrer le détecteur

 

Toutefois, restent encore plusieurs difficultés à résoudre : comment calibrer le détecteur pour obtenir une image de résolution optimale ? Comment évaluer la durée minimale d'enregistrement des données? Et comment déduire du flux de muons enregistré les variations d'opacité du volcan ? D'abord, il est important d'estimer le flux de muons observables, afin d'ajuster la configuration du détecteur.

 

Mais le calcul du flux de muons traversant une montagne nécessite de connaître approximativement la répartition des densités dans cet objet. Pour ce faire, on utilise les connaissances accumulées au fil du temps par les géologues. Bien sûr, on ignore les détails de l'anatomie du volcan, mais l'activité de la Soufrière est suivie depuis longtemps, ses failles et sa cheminée ont été explorées par divers moyens, de sorte que l'on a une idée de la répartition des masses en son sein.

 

Partant de ces données obtenues par d'autres méthodes, on estime le flux en fonction de la position du télescope par rapport à l'objet, de son orientation et de sa configuration. On peut alors évaluer les épaisseurs de roche traversées par les muons pour chacun des angles de vue du télescope. Ces épaisseurs sont ensuite converties en opacité, caractéristique qui détermine le seuil d'énergie minimale nécessaire aux muons pour traverser l'objet sans être absorbés. Le flux de muons détectables correspond alors au flux de muons arrivant à la surface du volcan et dont l'énergie est suffisante pour qu'ils puissent en ressortir.

 

Les radiographies de la Soufrière

 

Qu'avons-nous observé ? De nombreux signes témoignent de l'activité actuelle du volcan : des fractures, des fumerolles, le lac d'acide du gouffre Tarissan et des zones altérées par le système hydrothermal. Nous avons installé notre télescope successivement en trois endroits à l'Est, au Sud et à l'Ouest du volcan. Le fait d'avoir plusieurs points de vue permet de valider l'analyse des données.

 

Les radiographies montrent des zones de très faible densité dans la partie supérieure du volcan ; elles sont associées à la zone active du cratère Sud (nommées rf2 et rs4) et indiquent la présence d'un réseau de cavités (voir le schéma ci-dessous). Elles révèlent aussi une région peu dense (rf4) à la base du dôme, pouvant correspondre à la présence de roches altérées par les fluides hydrothermaux. Les régions de densité plus élevées (par exemple rf1 et rf5) révèlent l'existence de roches non altérées, en particulier de l'andésite mise en place lors de la formation du dôme. Des régions de densités intermédiaires (rf3) correspondraient à des barrières rocheuses localisées entre les réservoirs hydrothermaux.

 

Nos radiographies présentent une bonne résolution spatiale. Elles ont été comparées à des images obtenues à l'aide d'autres méthodes géophysiques : les différentes images révèlent des structures similaires à l'intérieur du volcan. Par exemple, une tomographie électrique avait été effectuée à travers le dôme, apportant des informations sur les structures superficielles. Ce type d'images est sensible à la présence de fluides conducteurs et révèle les passages où les fluides du système hydrothermal circulent. Cependant, la résolution spatiale de la méthode n'atteint pas celle de la tomographie par analyse du flux de muons.

 

 

Après la réalisation de ces deux radiographies, le télescope est resté installé pendant plusieurs mois sur le même site. Durant ce suivi, nous avons enregistré une augmentation du flux de muons à travers certaines zones du volcan, où l'écran rocheux est tel que seuls les muons de haute énergie le traversent. Or, quand on fait la moyenne du flux de ces muons sur quelques jours, on constate qu'il est constant. Si l'on observe une augmentation du flux, c'est nécessairement que la densité du milieu a diminué.

 

En effet, la région concernée correspond à un site où des fumerolles présentent un regain d'activité. Par conséquent, il est possible qu'à la suite d'une réorganisation de la circulation des fluides à l'intérieur de l'édifice, les roches de la région étudiée se soient appauvries en eau. Cette observation, qui doit être confirmée par des mesures indépendantes, montre l'intérêt de la tomographie par muons pour la surveillance des volcans en continu.

 

Une surveillance en continu

 

Ainsi, l'installation d'un télescope sur les flancs de la Soufrière de Guadeloupe a permis de montrer qu'un détecteur adapté au milieu tropical fournit des radiographies intéressantes des entrailles du volcan. La méthode permet de distinguer les hétérogénéités à l'intérieur de l'édifice. Les nouvelles données accumulées devraient permettre de concevoir des modèles plus précis de l'évolution du volcan. Un suivi régulier de cette évolution devrait révéler les changements internes d'opacité. Géophysiciens et volcanologues pourront-ils alors prévoir d'éventuelles éruptions ? C'est bien sûr ce que nous espérons.

 

Cette expérience a été réalisée sur un volcan de type explosif, mais elle est aussi applicable à des volcans de type effusif, tel l'Etna. Quel que soit le type éruptif d'un volcan, il présente des structures internes plus ou moins denses liées à la présence de cavités, d'une colonne éruptive, de roches massives ou de cendres et de ponces... Nous l'avons souligné, le télescope utilisé à la Soufrière offre de nombreux avantages (résistant, manipulable, précis, etc.), et la méthode permet de tomographier à distance des volcans dangereux, par exemple la Soufrière Hills de Montserrat. Toutefois, la tomographie par muons présente un inconvénient : elle n'est pas applicable partout.

 

Cette technique est bien adaptée au dôme de la Soufrière, qui a un diamètre de l'ordre du kilomètre et dont les pentes sont abruptes. Le flux de muons est suffisant pour obtenir en un mois une série de données exploitables. En revanche, un volcan de type bouclier comme le Piton de la Fournaise, à la Réunion, est moins adapté, car sa base est large de plusieurs kilomètres et ses pentes sont plus douces.

 

Dès lors, le flux de muons est fortement atténué par l'épaisseur de la roche, et il faudrait recueillir les données durant plusieurs mois, voire quelques années, pour commencer à distinguer les structures internes. Lors de l'expérience que nous avons réalisée sur l'Etna, volcan culminant à 3 300 mètres d'altitude, nous avons dû limiter notre étude à l'un des cratères sommitaux, le cratère Sud-Est, dont les dimensions sont comparables à celles de la Soufrière de Guadeloupe.

 

La tomographie par muons serait-elle applicable à d'autres objets que les volcans ? Oui, à condition de pouvoir aligner le flux de muons cosmiques, l'objet et le détecteur. D'autres applications sont envisageables, et un télescope a récemment été installé dans le laboratoire souterrain de l'Institut de radioprotection et sûreté nucléaire, IRSN, à Tournemire, pour caractériser les roches présentes au-dessus des galeries.

 

De la Soufrière au suivi des nappes phréatiques

 

La méthode pourrait servir à caractériser le milieu recouvrant des sites de stockage géologique ou à évaluer des ressources minières. Les mesures effectuées en continu sur la Soufrière ont également montré la possibilité d'observer des variations de densité. La méthode permettrait aussi d'évaluer les dimensions de nappes phréatiques et de suivre leurs fluctuations, ou encore de surveiller les sites de stockage de dioxyde de carbone. Cette toute jeune méthode devrait trouver de nombreuses applications !

 

La Soufrière de Guadeloupe est un volcan actif, qui est déjà entré en éruption à diverses reprises. En radiographiant ses entrailles à l'aide de muons, pourrait-on mieux prévoir les risques potentiels ?

 

Pour en savoir plus :

N. Lesparre et al., Density muon radiography of La Soufrière of Guadeloupe : First results and comparison with other tomography methods, Geophys. J. Int., vol. 190, pp. 1008-1019, 2012.

J. Marteau et al., Muons tomography applied to geosciences and volcanology, Nucl. Instrum. Methods A, vol. 695, pp. 23-28, 2011.

N. Lesparre et al., Geophysical muon imaging : feasibility and limits, Geophys. J. Int., vol. 183, pp. 1348-1361, 2010.

J. Paul et J.-L. Robert-Ésil, Le roman des rayons cosmiques, Ellipses, 2009.

P. De Wever et al., Le volcanisme cause de mort et source de vie, Vuibert, 2003.

 

Ouvrage de 248 pages aux Éditions universitaires européennes (9 novembre 2011)

ISBN-10: 3841780857 ISBN-13: 978-3841780850

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[1] Nolwenn LESPARRE est géophysicienne à l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire, à Fontenay aux Roses. Elle a été lauréate du Prix Le Monde de la recherche universitaire 2012.

[2] Dominique GIBERT est géophysicien à l'Institut de physique du Globe de Paris et professeur à l'Université de Rennes 1. Il coordonne le projet DIAPHANE.

[3] Jacques MARTEAU est physicien des particules à l'Institut de Physique nucléaire de Lyon. Il a travaillé sur les expériences neutrinos OPÉRA et t2k.

Structure du globe terrestre

Structure du globe terrestre

 

par André Guyard et Serge Warin

(dernière mise à jour du 12 février 2018)

 

Ajout du 12 février 2018

 

L'article principal est consacré à la structure du globe terrestre. Mais avant de plonger dans les profondeurs de la terre, on peut jeter un coup d'œil sur l'atmosphère, cette couche gazeuse qui nimbe le globe terrestre proprement dit.Cette couche gazeuse est subdivisée en plusieurs enveloppes qu'on classe en partant du sol :

 

— de 0 à 12 km : la troposphère ;

— de 12 à 50 km : la stratosphère ;

— de 50 à 80 km : la mésosphère ;

— 80 à 600 km : la thermosphère ;

— plus de 600 km : l'exosphère.

 

Stratification de l'atmosphère terrestre

 

Cet article s'articule après celui qui présente les techniques d'exploration des profondeurs de la terre. Il sert de préambule à une série de sept articles concernant les volcans de l'Arc antillais, en présentant quelques généralités sur la structure du globe terrestre.

 

L'existence du volcanisme s'explique par la structure du globe terrestre et dans le cadre de la théorie de la tectonique des plaques.

 

On trouvera sur le web de bonnes animations vidéo  sur la structure interne de la Terre et sur la tectonique des plaques et, publié par notre-planète.info un document récent sur la structure de la Terre (ajout du 30 janvier 2017).

 

Ajout du 10/09/2016: La subduction contrôle la distribution et la fragmentation des plaques tectoniques terrestres par Claire Mallard,, Nicolas Coltice, Maria Seton, R. Dietmar Müller & Paul J. Tackley

 

La croûte terrestre est morcelée en un ensemble de grandes et de petites plaques. Cette structure serait le fruit de l'interaction entre les mouvements convectifs du manteau et la résistance de la croûte.

 

La croûte terrestre est un puzzle de 53 pièces, les plaques tectoniques. Ces pièces se classent en deux catégories, les petites et les grandes. Ces dernières sont seulement au nombre de sept, correspondant à l'Amérique du Nord, l'Amérique du Sud, l'Afrique, l'Eurasie, le Pacifique, l'Australie et l'Antarctique. Ensemble, ces grandes plaques couvrent 94 % de la surface du globe. Entre ces grandes plaques, on trouve 46 petites plaques complémentaires. Pourquoi une telle répartition et quels mécanismes ont conduit à ce découpage ?

 

Claire Mallard, du Laboratoire de géologie de Lyon, et ses collègues ont réalisé des simulations numériques de Terres fictives en 3D pour comprendre comment la croûte se découpe.

La surface de la Terre est en perpétuel mouvement. Cette idée fut avancée pour la première fois par Alfred Wegener au début du XX^e siècle, mais la communauté des géophysiciens mit des décennies à accepter sa théorie de la dérive des continents.

 

Dans les années 1950-1960, la théorie a été reformulée en termes de tectonique des plaques : la lithosphère — la croûte et la partie supérieure du manteau terrestre — se compose de plaques qui se forment au niveau des dorsales océaniques et disparaissent en s'enfonçant dans le manteau dans les zones de subduction. On peut reconstituer le mouvement des plaques grâce aux anomalies magnétiques enregistrées dans la croûte océanique. Mais celle-ci a une courte durée de vie, si bien qu'il est difficile de reconstruire l'histoire géologique au-delà de 100 millions d'années et d'en déduire les mécanismes sous-jacents.

 

Les simulations des planètes Terre fictives tridimensionnelles effectuées par l'équipe de Claire Mallard incluent une description des mouvements de convection dans le manteau. Ces calculs prennent en compte de nombreux paramètres, tels que la viscosité et la plasticité du manteau.

 

Les chercheurs ont retrouvé dans leurs simulations une répartition entre grandes et petites plaques équivalente à celle constatée. Cela confirme que la répartition des plaques tectoniques est liée aux interactions entre la convection mantellique et la lithosphère. En particulier, les chercheurs ont montré que les dimensions des cellules de convection sont comparables à la taille des grandes plaques et que les petites plaques se forment préférentiellement près des zones de subduction, là où les plaques, en s'enfonçant dans le manteau, subissent de fortes contraintes.

 

Jusqu'à présent, les reconstructions de l'histoire géologique étaient fondées sur des approches statistiques. Elles suggéraient que la lithosphère était principalement composée de grandes plaques, il y a 200 millions d'années. Les plaques se seraient morcelées par la suite. D'autres chercheurs pensaient qu'il devait y avoir plus de zones de subduction dans le passé avec davantage de petites plaques, mais sans pouvoir le prouver.

 

Cette nouvelle étude appuie cette seconde hypothèse et montre que la répartition entre petites et grandes plaques est restée assez stable sur plusieurs centaines de millions d'années. Les précédents modèles surestimaient, pour le passé, le nombre de grandes plaques au détriment des petites.

 

C. Mallard et al. (2016) — Nature, vol. 535, pp. 140-143, 2016

 

Structure en oignon du globe terrestre

 

Grâce à l'étude de la propagation des ondes sismiques à travers la planète on a pu démontrer que la Terre a une structure en oignon, les couches concentriques étant composées de différents matériaux.

 

Coupe du globe terrestre

(Infographie Keith Kashot, Pour la Science n° 394, août 2010)

 

 

Détail de l'encadré ci-dessus

 

LA CROÛTE (jusqu'à 35 km de profondeur ; 1% du volume de la terre)

 

Les continents en partie immergés sous les océans, sont constitués de diverses roches relativement légères, dont l'âge  atteint plusieurs milliards d'années. Ils flottent ainsi sur le manteau plus dense. La croûte océanique, formée de roches basaltiques, est un peu plus dense. Elle se forme à partir de matériau du manteau qui émerge au niveau des dorsales sous-marines et qui finit par y retourner en coulant après 100 millions d'années en moyenne.

 

LE MANTEAU (de 35 à 2900 km ; 83% du volume de la terre)

 

Sous la croûte terrestre se trouve le manteau, masse de roches maintenues sous très haute pression (le magma). Cette masse subit des mouvements de convection. La convection dans le manteau de composition dominée par les silicates est le moteur du volcanisme et de la tectonique des plaques. La chaleur interne est en partie le résidu de la formation planétaire, et en partie produite par la radioactivité du manteau. Le manteau chauffé par le bas, subit des mouvements de convection : la matière froide descend et la matière chaude monte. De sorte que les bords des plaques tectoniques plus froids, vont plonger sous les autres, entraînant activement les plaques et les écartant au niveau des dorsales, constituant ainsi le moteur de la tectonique des plaques. Contrairement à l'idée reçue, ce n'est pas la dorsale qui écarte les plaques. À ce niveau, une simple remontée passive de magma chaud se produit pour combler le vide causé par l'écartement des plaques.

À environ 1500 km de la surface du sol, il y aurait une couche rigide au sein du manteau terrestre. Sa composition est la même que celle du manteau, mais sa viscosité est cent à mille fois supérieure. Cette couche permet d'expliquer pourquoi dans les zones de subduction, là où une plaque tectonique s'enfonce dans le manteau (1), ses fragments ne peuvent aller au-delà de 1500 km (2) : ils butent contre cette région visqueuse, ce qui provoque des tensions et des ruptures et donne naissance à des séismes à foyer profond. C'est la première fois qu'on trouve une explication à ce phénomène. Source : Hauke Marquardt, Université de Bayreuth, Allemagne.

 

D'après Michel Detay, l'idée que la matière constituant le manteau terrestre (les 2 885 kilomètres séparant la croûte du noyau de la Terre) est en fusion est fausse. Nous ne marchons pas sur un océan de magma, et il n'y a pas de « feu central », car les roches qui constituent le manteau sont à l'état solide. Étant donné l'augmentation de la pression et de la température avec la profondeur, la fusion, même partielle, des roches du manteau — des péridotites, formées de silicates de fer (10 %) et de magnésium (90 %) — est impossible.

Pour autant, une énorme masse d'eau, estimée à l'équivalent de deux à trois hydrosphères, soit deux ou trois fois 10²¹ kilogrammes – est dissoute dans le manteau. Cette eau s'y trouve soit sous sa forme moléculaire habituelle (H₂O), soit sous la forme d'ions hydroxyles (OH^–) attachés aux silicates des roches.

Ainsi, l'eau peut faire partie de la formule chimique de certains minéraux, où l'ion OH^– est intégré dans la structure cristalline. C'est le cas dans les amphiboles, la lawsonite, la chlorite, etc. Ces deux derniers minéraux contiennent ainsi 14 % d'eau. La présence de cette eau et des gaz dissous dans le magma va jouer un rôle considérable dans le style éruptif des volcans (voir article suivant).

 

Variation de la température

dans le manteau avec la profondeur

(d'après Thomas, 2010)

 

On sait maintenant que la vitesse avec laquelle une plaque tectonique plonge sous une autre est proportionnelle à la largeur de cette plaque. Cette relation a été découverte par Woutter Schellart de la Monash University (Melbourne, Australie) à l'aide d'un modèle numérique reproduisant en 3D des zones de subduction. Elle permet de comprendre par exemple pourquoi la plaque de Farallon, qui plongeait sous l'Amérique du Sud à une vitesse de 10 cm par an il y a 50 millions d'années, ne s'enfonce plus que  de 2 cm par an aujourd'hui. Car, dans le même temps, la zone  de subduction qui s'étendait sur 14 000 km du nord au sud, s'est réduite à 1400 km. La relation mise en évidence par Woutter Schellart modifie ainsi la vision classique de la tectonique des plaques selon laquelle le déplacement des plaques est le reflet en surface des mouvements de matière au sein du manteau terrestre. Cette nouvelle étude révèle qu'en fait la plaque elle-même exerce un contrôle sur sa propre dynamique (Science & Vie, n° 1120, janvier 2011).

 

La convection dans le manteau

(d'après Thomas, 2010)

 

Au niveau de la dorsale médio-atlantique, se produit un mouvement ascendant de magma sous forme d'éruptions généralement sous-marines. Ce magma est principalement constitué de silicium, d'oxygène et de magnésium (bridgmanite). Ces roches nouvelles se déforment au cours des temps géologiques en produisant des courants de convection qui animent le manteau tout entier. Cette convection qui transporte la chaleur interne de la Terre est le moteur de la dérive des continents. Elles alimentent constamment la croûte en formant une sorte de tapis roulant divergeant de part et d'autre de la dorsale et qui repousse les plaques océaniques américaines vers l'Ouest et les plaques océaniques euroasiatique et africaine vers l'Est.

 

Schéma général de l'expansion des fonds océaniques

(d'après Ringwood)

 

 

Quel est le phénomène qui explique les mouvements de convection du manteau ?

(Sciences et Avenir, n° 806 avril 2014 p. 13)

En fait, ce sont les anomalies de certaines roches qui rendent possible les mouvements de convection du manteau. Pour que l'immense manteau terrestre, fait entièrement de roches, se déplace de quelques centimètres par an (entre 2 et 9 cm) et permette le mouvement des plaques tectoniques, il faut impérativement qu'il existe de microscopiques aspérités entre les millions de grains composant les roches (image ci-dessous). C'est la surprenante conclusion d'une équipe conjointe de plusieurs universités françaises (Lille-I, Nancy, Metz, Montpellier), publiée dans la revue Nature en avril 2014.

 

Les aspérités entre les grains composant l'olivine donnent des propriétés de plasticité au manteau.

 

Cette « plasticité » du manteau était à ce jour une énigme. En effet, les propriétés physiques du minéral le plus abondant dans le manteau, l'olivine, empêchent théoriquement ces mouvements. Sa structure, très régulière et très ordonnée, est incompatible avec l'idée selon laquelle un matériau doit avoir des défauts (se traduisant par des faiblesses mécaniques) pour que son comportement soit plastique. Mais les scientifiques ont observé pour la première fois des défauts au niveau des joints de grains du minéral, appelés « désinclinaisons ». Et lorsqu'ils les ont intégrés dans la modélisation mathématique du comportement de la roche, ils ont conclu que ces défauts sont capables à eux seuls d'expliquer les mouvements dans le manteau.

 

Dynamique de la dorsale médio-atlantique

(d'après Briais et all 2010)

 

LE MANTEAU SUPÉRIEUR (35 à 660 km ; 27% du volume de la terre)

 

À mesure que les pressions et les températures augmentent avec la profondeur, les éléments constitutifs du manteau s'arrangent en différentes structures cristallines (les minéraux) qui forment des couches distinctes. Trois minéraux, - l'olivine, la spinelle modifiée et la spinelle – donnent aux couches du manteau supérieur leur nom respectif.

 

LE MANTEAU INFÉRIEUR (660 à 2900 km ; 56% du volume de la terre)

 

Il est formé de deux couches : la pérovskite et la postpérovskite.

 

Couche de pérovskite. Le minéral qui domine cette couche (70% de la masse) est un silicate de magnésium appartenant à une famille de structures cristallines nommées pérovskites ou "(Mg,Fe)SiO₃-pérovskite". C'est le matériau le plus abondant sur terre (38% de la masse du manteau et 70% de la masse du manteau inférieur) et connu depuis 2014 sous le nom de bridgmanite en hommage au minéralogiste Bridgmann. Existant à plus de 660 km de profondeur et sous des pressions énormes de l'ordre de 230 000 bars, la bridgmanite est inaccessible aux forages et hautement instable sous les conditions naturelles de surface. Ses propriétés physico-chimiques due à sa structure en feuillets déterminent une grande partie de la dynamique planétaire : les mouvements de convection qui la traversent sont à l'origine de la tectonique des plaques.

 

Couche de postpérovskite. Dans les conditions de pression et de température régnant dans les 300 derniers kilomètres du manteau avant le noyau, la pérovskite (1) se transforme en une nouvelle structure : la postpérovskite dont la structure cristalline est encore plus dense que celle de la pérovskite de 1 à 1,5 %.

 

(1) La pérovskite intéresse beaucoup les chercheurs en photovoltaïque.  Il semble que l'avenir du solaire passera par la pérovskite. Ce minéral cristallin n'a révélé ses vertus énergétiques qu'en 2012. Mais depuis, il révolutionne le secteur. Ce matériau absorbe en effet la lumière dix fois mieux que le silicium qui équipe 85 % des panneaux solaires.

Son rendement énergétique, de 19 % en laboratoire, talonne son concurrent (à 26 %), mais il serait cinq fois moins cher à produire. Ce matériau devrait s'imposer dans le secteur des énergies renouvelables d'ici à la fin de la décennie. Et permettre d'accélérer la transition énergétique.

 

LE NOYAU (2900 à 6400 km ; 16% du volume de la terre)

 

Le noyau de la Terre est principalement composé de fer, liquide dans le noyau externe et solide dans le noyau interne (la graine, 0,5% du volume de la terre). Comme dans le manteau, la convection brasse le noyau externe, mais en raison de la densité beaucoup plus élevée du noyau, il y a très peu de mélange avec le manteau. Une couche plus dense s'intercale entre la base du manteau liquide et la graine. On pense que c'est la convection dans le noyau externe de fer liquide qui engendre le champ magnétique terrestre, lequel contribue à protéger la vie des rayons cosmiques et du vent solaire.

On peut se demander pourquoi la graine dont la température dépasse les 6000°C présente une structure solide. Ce phénomène est dû à la structure hexagonale compacte de ses molécules de fer comme l'ont démontré des géophysiciens suédois en 2017.

 

Mais quel est le processus qui explique le champ magnétique terrestre ? (Science & Vie, n° 1171, avril 2015 p. 26)

 

Longtemps on n'a pu expliquer ce phénomène. Et c'est tout récemment (2014) qu'une équipe américaine a proposé une hypothèse : en fait, le champ magnétique terrestre naîtrait des chocs d'électrons.

 

Si les physiciens ne parvenaient pas à reproduire la naissance du champ magnétique de la Terre, c'est parce qu'ils avaient sous-estimé la violence des chocs entre électrons. Ronald Cohen et son équipe de la Carnegie Institution de Washington (États-Unis) ont modélisé le comportement du fer à haute température au niveau atomique et se sont aperçus que les électrons ne cessent de s'éjecter les uns les autres, s'opposant à la formation d'un courant électrique... Dans le  noyau terrestre, les électrons du fer fondu ralentissent ainsi les transferts de chaleur et provoquent la formation de mouvements de convection : des courants ascendants et descendants qui donnent naissance à un champ magnétique. Jusque-là, les modèles qui ne tenaient compte que des vibrations des atomes et des interactions moyennes des électrons ne parvenaient pas à former le moindre tourbillon de métal... et par conséquent, pas la moindre ligne de champ magnétique.

 

En fait, le fer du noyau remonterait dans le manteau comme semblent l'avoir montré (Nature, année 2012) par des expériences de laboratoire deux géophysiciens de l'université Yale (États-Unis). Ils ont réussi à montrer que la couche D" (prononcez « D seconde ») qui sépare, à 2900 km sous nos pieds, le manteau terrestre solide du noyau liquide et dont l'épaisseur serait inférieure à 200 km, ne serait pas totalement étanche : elle présenterait des remontées du noyau, des « blob » de fer liquide qui viendraient pénétrer les interstices de la roche sur 50 à 100 km.

 

Ces intrusions de fer pourraient jouer un rôle important dans les variations du champ magnétique terrestre. En effet, la présence de fer - métal conducteur d'électricité - influe sur la conductivité électrique du noyau, et ce sont les courants  électriques du noyau qui alimentent et entretiennent le champ magnétique (voir plus haut l'ajout de mars 2015).

 

Pour parvenir à ce résultat rapporté par la revue Sciences et Avenir n° 792 (février 2013), les géophysiciens ont pris un cristal analogue à ceux que l'on suppose abondants dans le manteau de la Terre, à base de silicates de magnésium et de fer. Ils l'ont soumis à la pression et à la température qui règnent au niveau de la couche D" (135 gigapascals. Soit 1 350 000 fois la pression atmosphérique, et plus de 3200°C). Au bout de quelques minutes, les géophysiciens ont constaté la présence de bulles de fer liquides dans la roche solide (en médaillon). Les chercheurs supposent qu'il se passe la même chose à grande échelle dans la couche D".

 

Mouvements de convection au sein du globe terrestre

(d'après D. Sasselov & D. Valencia, Pour la Science, oct. 2010)

 

Chose étonnante, dans toutes ces sphères emboîtées et concentriques, la graine présente une structure asymétrique qu'on appelle la translation de la graine. Les couches superficielles de ses hémisphères "Ouest" (par convention sous l'Amérique) et "Est" (par convention sous l'Asie) n'ont pas les mêmes propriétés sismiques : les ondes sont plus lentes et moins atténuées à l'Ouest. Marc Monnereau & all. (Science, en ligne, 15 avril 2010) ont montré que cette dissymétrie était due à une différence de taille des cristaux de fer formant la graine, elle-même expliquée par un "vent de matière" orienté d'Ouest en Est.

 

L'hémisphère Ouest, froid et dense, décale vers lui le centre de masse de la graine. De ce fait, la rotation de celle-ci est décalée par rapport à son centre géométrique, et ses frontières Est et Ouest se décalent par rapport à la région sphérique (en pointillé sur la figure) où, étant donné la température et la pression, le fer est solide. Il en résulte une cristallisation du fer à l'Ouest, une fusion à l'Est et un déplacement progressif des couches de fer de l'Ouest vers l'Est. À mesure de ce déplacement, les cristaux de fer croissent en "absorbant" leurs voisins, pour atteindre une taille de cinq à dix kilomètres  au niveau de la frontière Est. Arrivé à cette frontière, le fer fond et retourne au noyau liquide. Ainsi, la graine se renouvelle en continu.  Reste à expliquer pourquoi l'hémisphère Ouest est froid et dense. Et à trancher avec d'autres modèles qui expliquent la dissymétrie des propriétés sismiques par un couplage thermique entre la graine et le manteau via le noyau liquide, ou par une interaction avec le champ magnétique de la Terre.

 

Ainsi, alors que son âge dépasse les 4,5 milliards d'années, la Terre renouvellerait son cœur en à peine 100 millions d'années.

 

La théorie de la translation de la graine expliquerait l'existence de la couche dense entre graine et base du noyau liquide, l'anisotropie élastique démontrée par le fait que les ondes sismiques voyagent plus vite dans la direction nord-sud que dans la direction ouest-est ainsi que l'asymétrie hémisphérique entre l'ouest et l'est. (voir également Science & Vie, nov. 2010).

 

En outre, la graine tourne à vitesse variable, de sorte que les battements du cœur de la Terre ne sont pas réguliers (Science & Vie, juillet 2013, p. 30).

 

Depuis les années 1990, les sismologues soupçonnent la "graine" de tourner sur elle-même plus vite que le reste du globe. Mais sans parvenir à s'accorder sur sa vitesse de rotation. Et pour cause : Hrvoje Tkalcic (université de Canberra, Australie) a découvert que cette vitesse n'est pas constante !

 

Pour l'affirmer, il a analysé des doublets de séismes, ces tremblements de terre "jumeaux" qui se produisent à des semaines ou des années d'intervalle, générant des ondes sismiques qui empruntennt le le même chemin au sein du globe. En étudiant les infimes différences de temps de parcours des ondes qui ont traversé la graine, le géophysicien en a conclu que la vitesse de rotation varie au cours du temps. Elle a accéléré dans les années 1970, ralenti dans les années 1980, puis repris da la vitesse dans les années 1990 et 2000.

 

Asymétrie de la graine

 

La graine solide de la Terre tourne autour de son centre de masse (0), décalé par rapport à son centre géométrique (C). De ce fait, elle se décale par rapport au domaine où le fer devrait être solide (en pointillés). Cela crée une cristallisation à l'Ouest et une fusion à l'Est, et un flux de matière vers l'Est. Les couleurs représentent l'âge des couches (Pour la Science, n° 392, juin 2010).

 

La rotation du noyau terrestre enfin comprise ? (Pour la Science, n° 434, décembre 2013)

 

La Terre tourne sur elle-même vers l'Est en quasiment 24 heures. Il n'en va pas de même de son noyau. Le noyau interne (la graine), en fer solide, tourne dans le même sens, mais plus vite. Le noyau externe, constitué de fer liquide, tourne pour sa part en sens inverse, vers l'Ouest ! Philip Livermore, de l'Université de Leeds, en Grande-Bretagne, et ses collègues ont montré que ces mouvements du noyau sont liés et contrôlés par le champ magnétique terrestre.

 

La circulation du fer dans le noyau liquide engendre, par effet dynamo, le champ magnétique terrestre (de l'ordre de 10^-4 tesla à la surface de la planète). Les géophysiciens ont observé depuis longtemps que ce champ se décale vers l'Ouest, ce qui suggère que le noyau liquide est animé d'un mouvement similaire. En outre, l'analyse de l'aimantation rémanente des roches montre que sur les 3 000 dernières années, le champ magnétique s'est déplacé vers l'Ouest à une vitesse variable, mais aussi vers l'Est. Rappelons qu'en se refroidissant après avoir été chauffées, certaines roches enregistrent l'orientation du moment magnétique : c'est l'aimantation rémanente.

 

L'étude des ondes sismiques qui se propagent dans tout le globe terrestre a par ailleurs révélé que le noyau interne (la graine) tourne vers l'Est et devance en moyenne le mouvement de la surface de la planète de quelques degrés par an.

 

P. Livermore et ses collègues se sont intéressés à l'interaction des composantes du noyau et du champ magnétique. Ils ont mis au point une simulation en trois dimensions du centre de la planète qui permet d'étudier des scénarios où la viscosité du fer liquide (qui n'est pas précisément connue) est 100 fois inférieure à celle des simulations précédentes. Cette viscosité joue un rôle crucial dans la dynamique du fluide ferreux et, par conséquent, sur l'effet dynamo et la structure du champ magnétique.

 

Avec leur simulation, les géologues ont ainsi mis en évidence que, dans des régimes de faible viscosité, certains couples de forces deviennent importants. Ces couples d'axe Nord-Sud agissent, les uns sur la partie la plus externe du noyau liquide, les autres dans le noyau solide. Ils ont la même intensité, mais des sens opposés. De quoi expliquer les mouvements opposés des noyaux interne et externe ?

 

P. W. Livermore et al., PNAS, en ligne, 16 septembre 2013

 

 

Ajout du 5 juin 2016 : Le noyau de la terre est plus jeune que sa surface (Sciences et Avenir n° 832, juin 2016, p. 56.)

 

En appliquant la relativité générale à l'intérieur de la Terre, une équipe danoise a conclut que son cœur serait plus jeune que sa surface de deux ans et demi. Une conclusion publiée dans l'édition de mai 2016 de l'European Journal of Physics. Mais comment imaginer que l'intérieur de la Terre se soit formé quelque temps après la croûte, sur laquelle nous marchons ?

 

Ce paradoxe s'explique par la théorie de la relativité générale qui veut qu'à proximité d'une masse très dense comme la graine de la Terre, le temps s'écoule plus lentement. Il s'agit en fait d'un paradoxe connu de longue date. Richard Feynman — lauréat du prix Nobel de physique en 1965 et décédé en 1988 —, l'enseignait déjà. Mais Feynman avait estimé la différence d'âge entre superficie et profondeur à un jour ou deux. Le calcul de l'équipe danoise montre un écart bien plus important. En fait, ce paradoxe ne remet aucunement en question les connaissances des géophysiciens sur la formation de la Terre, une planète dont l'âge est estimé aujourd'hui à 4,56 milliards d'années, et qui a grossi progressivement par accrétion — c'est-à-dire grâce à l'agglomération de grains de matière. Mais en revanche, si l'on tient compte des conséquences étonnantes de la relativité générale d'Einstein, il faut considérer que la masse modifie l'espace et le temps.

 

La densité des roches s'accroît avec la profondeur

À proximité d'une masse importante comme un astre dense, l'espace se courbe, un peu comme si, en deux dimensions, un tissu élastique se tend sous le poids d'une boule de métal. Quant au temps, il s'écoule plus lentement. Or, les géophysiciens ne cessent d'améliorer leur modèle de l'intérieur de la Terre. Ils savent que la densité des roches augmente avec la profondeur. La matière y présente un arrangement compact que l'on ne rencontre pas en surface. Ainsi, la graine, cette sphère centrale très dense de 1200 km de rayon, développe un champ de gravité important. Près de la graine, le temps devrait donc s'écouler plus lentement. La relativité générale n'ayant jamais été prise en défaut, si une horloge était placée à la profondeur de la graine, elle marquerait moins de secondes au cours du même laps de temps qu'une horloge placée à la surface. Et c'est ainsi que l'on parvient à estimer l'intérieur de la Terre plus jeune que sa surface. Même si en pratique, deux ans et demi ne sont pas significatif par rapport à l'âge de la planète.

 

Quant à l'écart entre ce qu'enseignait Richard Feynman et ce qu'ont découvert les Danois, il s'explique par le fait que ces derniers ont rigoureusement utilisé le dernier modèle de l'intérieur de la Terre où la densité de matière n'est pas homogène à une même profondeur.

 

Il y a de la vie dans les profondeurs (Sciences et Avenir, août 2016, p. 33)

 

Des chercheurs français et italiens ont mis en évidence pour la première fois, en 2012, l'existence d'une vie intra-terrestre le long de la ride médio-atlantique : ces roches de la croûte terrestre se sont révélé abriter une vie diverse et active, qui pourrait bien représenter l'habitat microbien le plus important de notre planète ! La lithosphère, poreuse et fracturée, est affectée par d'intenses circulations hydrothermales, soit un environnement semblable à celui de notre Terre il y a plus de 3,8 milliards d'années. Les bactéries pourraient être des descendants des premières formes de vie terrestre.

Le volcanisme dans l'Arc antillais (1)

Rappels de la structure du globe terrestre. Différents types de volcans et d'éruption.

Roches volcaniques de l'Arc antillais

Roches volcaniques dans l'Arc antillais

La Soufrière de Guadeloupe

La Soufrière de Guadeloupe avant, pendant et après l'éruption phréatique de 1976

 

La Soufrière de Guadeloupe : séismes 1975-1977

Séismes associés à l'éruption phréatique de la Soufrière de Guadeloupe de 1976

 

La Montagne Pelée (Martinique)

La Montagne Pelée (Martinique) et l'éruption catastrophique de 1902

 

 

La Soufrière de Saint-Vincent

La Soufrière de Saint-Vincent et l'éruption de 1979

Soufrière à Sainte-Lucie

Manifestations volcaniques de Sainte-Lucie et de la Dominique

La Soufrière de Montserrat

La Soufrière de Monserrat et les éruptions successives de 1995 à 2010

Islande : geysers et autres manifestations volcaniques

Geysers, fumerolles, solfatares, hordinos et mares de boue d'Islande

 

par André Guyard

(dernière mise à jour : 20 novembre 2015)

 

En juillet 2008, un groupe de randonneurs appartenant à l'USN Sports Loisirs a parcouru les paysages désolés de l'Islande à la découverte de phénomènes volcaniques actifs.

 

Le groupe va découvrir un univers de glace, d'eau et de feu.

 

Islande : un pays de glace

Islande : un pays de volcans et de laves

(Ici le Landmannalaugar)

 

Solfatares : des bouches à soufre et à cinabre

Le basalte en se refroidissant se débite en colonnes hexagonales

 

Orgues basaltiques

Cliché Orsolya & Erlend Haarberg

 

Mais comment se forment les orgues basaltiques ?

 

Il s'agit, bien sûr, d'une conséquence du refroidissement d'anciennes coulées de lave. En 2015, Martin Hofmann, de l'université technique de Dresde, en Allemagne, et ses collègues ont modélisé la formation de tels motifs hexagonaux qu'on appelle orgues basaltiques.

Lorsque de la lave se refroidit ou lorsque de la boue sèche, la partie supérieure se contracte et se fissure, ce qui libère de l'énergie liée à la tension mécanique. Ces failles sont disposées, a priori, de façon aléatoire. Cependant, comme elles libèrent surtout la tension perpendiculaire à leur direction, elles se connectent en général à angle droit : on parle de jonction T.

Dans des milieux qui sont asséchés ou gelés périodiquement, on observe que les jonctions T se déforment et se déplacent, ce qui les transforme en jonctions Y aux angles de 120°. Les motifs hexagonaux en résultent.

Dans le basalte, des jonctions T se forment en surface, mais la transition entre jonctions T et Y se produit en profondeur, alors que les fractures se propagent dans la lave se refroidissant.

Martin Hofmann et ses collègues ont calculé l'énergie libérée lorsqu'une fracture se propage. Ils ont supposé que la forme des jonctions pouvait changer. Ils montrent ainsi que si la jonction se déforme de T vers Y, l'énergie libérée augmente de 7%. La tension dans le basalte est ainsi mieux dissipée et la configuration plus stable. Des simulations numériques ont confirmé les résultats des chercheurs.

Phys. Rev. Lett., vol. 115, 154301, 2015

 

Le refroidissement de surface ménage des tunnels sous-basaltiques

Chutes de Dettifoss

Sellfoss : une chute de plus 800 m de long

 

Chutes de Magnudarfoss dans les orgues basaltiques

 

Gullfoss : une chute royale

 

Parmi les différentes manifestations volcaniques rencontrées : fumerolles, solfatares, sources chaudes, hordinos, mares de boue, etc. les plus spectaculaires sont certainement le fait des geysers.

 

Qu'est-ce qu'un geyser ?

 

Un geyser est une source qui jaillit par intermittence en projetant de l'eau chaude et de la vapeur à haute température. Le terme geyser provient de Geysir, le nom du plus célèbre geyser islandais, dont l'étymologie est liée au verbe islandais gjósa (en français jaillir).

 

Or le grand geyser de Geysir ne fonctionne plus de façon naturelle. Seuls des visiteurs illustres ont droit à sa manifestation dopée par l'usage de détergents précipités dans le conduit. Mais les touristes ordinaires peuvent admirer son voisin le Strokkur qui se manifeste toutes les 8-10 min.

 

Comment ça marche ?

 

L'activité des geysers, comme celle de toutes les sources chaudes, est liée à une infiltration d'eau en profondeur.

 

Dans les régions volcaniques, l'eau est chauffée au contact des roches, elles-mêmes chauffées par le magma en fusion.

 

Dans les régions non volcaniques, l'eau est chauffée par l'action du gradient géothermique, la température et la pression augmentant avec la profondeur.

 

Par convection, l'eau chauffée et mise sous pression rejaillit alors vers la surface. Les geysers diffèrent des simples sources chaudes par la structure géologique souterraine. L'orifice de surface est généralement étroit communiquant par des conduits étroits et résistants qui mènent à d'imposants réservoirs d'eau souterrains.

 

L'eau de surface s'infiltre par gravité dans le réservoir du geyser où elle s'accumule et monte dans le conduit. La pression dépend de la longueur de la cheminée. Plus la pression est grande, plus la température d'ébullition est élevée. L'eau du conduit va faire pression sur l'eau du réservoir et augmentera la température d'ébullition. Au bout d'un certain temps, la poche magmatique sera portée à une température suffisante pour entraîner la vaporisation d'une partie de l'eau et créant ainsi une bulle de vapeur. Cette bulle emprunte la seule issue qui lui est offerte : la cheminée où elle s'engouffre, refoulant vers le haut l'eau du conduit qui n'exercera plus de pression sur l'eau du réservoir. Cette dernière va entrer en ébullition et pousser toute l'eau du geyser à l'extérieur.

 

La bouche du Strokkur commence à frémir

La bulle pousse l'eau qui gonfle la surface en coupole

La bulle est prête à éclater

 

Le Strokkur en pleine action

 

En fait, il existe deux types de geysers. Le geyser dit « fontaine » est terminé par un cône étroit, avec un conduit très fin. Lorsqu'une éruption se produit et qu'une colonne d'eau jaillit, elle est en fait expulsée par la pression due à l'étroitesse du conduit. C'est le cas par exemple d'Old Faithful à Yellostone.

 

L'autre type de geyser est le geyser dit « gazeux ». Il s'agit généralement d'une source chaude qui, lorsque du gaz est expulsé, fait remonter les bulles d'eau qui explosent au contact de la surface et qui créent une large colonne d'eau, souvent de courte durée. C'est le cas du Strokkur que nous avons pu observer ici.

 

 

Fumerolles et solfatares

 

 

Les fumerolles sont des émanations de gaz, en particulier de la vapeur d'eau ou de dioxyde de carbone qui s'échappent de crevasses ou de cavités d'origine volcanique.

 

 

Les solfatares sont des fumerolles rejetant du soufre.

 

 

Mares de boues

 

 

Une mare de boue est un type de source d'eau chaude ou de fumerolle, brassant des sédiments (argile d'origine volcanique, oxyde de fer, soufre...) à sa surface, et caractérisée par de perpétuelles remontées de bulles de gaz à sa surface.

 

 

Mofettes

 

 

Les mofettes sont de petites émanations de dioxyde de carbone qui s'échappent de fissures et des trous d'origine volcaniques d'où s'échappe du gaz carbonique. Parfois, les mofettes brassent des sédiments à leur surface.

 

 

Hornitos

 

 

Les hornitos sont des cônes volcaniques de dégazage, créés lors de retombées de fragments de laves incandescents entre eux.

 

Ces différents phénomènes sont visibles sur la vidéo ci-dessous :

 

Phénomènes volcaniques

 

Les Islandais ont su profiter de toute cette chaleur interne et exploitent cette source d'énergie pour procurer aux habitants de l'eau chaude, alimenter des serres avec production de fleurs, de légumes et de fruits. Eh, oui ! il pousse des bananiers en Islande. D'une façon plus importante, la géothermie permet la génération d'électricité pour les industries métallurgiques et la consommation domestique.

 

Exploitation de la géothermie

Centrale géothermique du volcan Krafla

(© Schutterstock/Darren Baker)

 

C'est à sa position géographique sur la dorsale médio-atlantique qui émerge à l'air libre en Islande que l'île doit ce tempérament de feu.

 

L'Islande est située à l'extrémité nord de la dorsale médio-atlantique qui court sur 15 000 km au milieu du plancher de l'océan Atlantique et dont l'île constitue la seule partie émergée. Le long des dorsales océaniques, deux plaques tectoniques s'écartent et le manteau terrestre sous-jacent va se figer pour former une jeune croûte océanique, la lithosphère. La dorsale médio-atlantique forme ainsi une chaîne continue de volcans sous-marins émettant une lave visqueuse (plus riche en silice) de type andésite. Ainsi l'Islande est déchirée par la séparation des deux plaques : la plaque nord-américaine qui s'éloigne vers l'ouest et la plaque eurasienne qui s'éloigne vers l'est à la vitesse de 2 cm par an.

 

À ce phénomène de l'écartement des deux plaques océaniques, un point chaud s'y superpose.

 

Un point chaud est marqué par la remontée d'un panache volcanique issu de la base du manteau inférieur, c'est-à-dire à près de 2900 km. La lave des volcans de point chaud est très fluide et formée de basalte (pauvre en silice). Ces points chauds sont fixes et indépendants du mouvement des plaques. Et, au fur et à mesure de l'avancée de la plaque tectonique océanique, celle-ci est perforée par un nouveau volcan à l'aplomb du panache volcanique.

 

L'Islande résulte ainsi de la superposition de ces laves andésitiques ou basaltiques. Pas moins de 130 volcans coexistent en Islande, dont certains sont recouverrts par des glaciers (volcans sous-glaciaires).

Au nord de la dorsale médio-atlantique : l'Islande

(document Google Earth)

 

Sources :

 

Photos et vidéo : André Guyard (Islande, juillet 2008).

 

Thordarson, T. and G. Larsen (2007) - Volcanism in Iceland in historical time : Volcano types, éruption styles and eruptive history, Journal of Geodynamics, janvier 2007.

Voir également : les volcans islandais (Vu du ciel France 3)