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Les basaltes "pop-corn" et le dégazage du magma sous les dorsales océaniques

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Un géochimiste et un physicien de deux laboratoires du CNRS ont expliqué la composition des vésicules de gaz que l'on observe dans les basaltes récoltés sur les dorsales, au fond des océans : ils ont appliqué le modèle "des sphères dures" aux gaz et au liquide magmatique sous pression, qui sont ici décrits comme des ensembles de particules sphériques impénétrables.

Sur ce verre basaltique « pop-corn », collecté sur la dorsale atlantique, on aperçoit les petites vésicules qui se forment lors de la remontée du magma (les plus grosses mesurent deux millimètres de diamètre). Crédit : © Crédit : CNRS/Philippe

Lorsqu'ils arrivent sur le pont des navires, certains de ces basaltes particulièrement riches en gaz éclatent sous l'effet de la chute de pression, comme du pop-corn. En fait, la plupart des basaltes sont pauvres en vésicules, et selon le scénario des chercheurs, le magma provenant du manteau s'arrêterait plusieurs fois au cours de sa remontée, perdant une partie de son gaz, avant de repartir vers la surface. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature du 7 juillet.

Le magma qui remonte au niveau des dorsales est issu de la fusion partielle du manteau supérieur, dans une zone située à environ 100 kilomètres sous le plancher océanique. A cette profondeur, il renferme de l'ordre de un pour cent de dioxyde de carbone à l'état dissous, de l'eau et des gaz rares (au plus quelques parties par millions) provenant du manteau solide. Lors de la remontée, la pression diminue et avec elle la solubilité du CO2 (le gaz majoritaire) : des bulles de ce gaz apparaissent alors, flottant dans le magma sursaturé : c'est la vésiculation. Ce phénomène est analogue à ce qui se produit lorsque l'on ouvre une bouteille de champagne. Lors de la vésiculation, les gaz rares initialement présents dans le magma migrent en partie dans les bulles de CO2.

En analysant la composition des vésicules, notamment en gaz rares, les chercheurs tentent de retracer l'histoire de l'ascension du magma. Ainsi, l'arrêt du magma lors d'une obturation des conduits peut provoquer la séparation du magma et des vésicules, le gaz s'échappant alors par des fissures de la roche environnante : c'est le "dégazage". Lorsque le magma reprend sa remontée, la vésiculation se produit à nouveau à partir du CO2 qui était encore dissous. Le même cycle de dégazage peut se reproduire à chaque arrêt du magma. Ces événements jouent sur les concentrations finale de chaque gaz dans les basaltes et sur le rapport des concentrations en hélium et en argon. Jusqu'à présent, les chercheurs n'arrivaient pas à expliquer la grande variabilité des concentrations en gaz rares mesurés dans les basaltes récoltés un peu partout dans le monde au niveau des dorsales océaniques. Par exemple, les concentrations en argon peuvent varier d'un facteur 1.000 suivant les échantillons étudiés.

Dans l'étude publiée par la revue Nature, deux chercheurs, du laboratoire Interactions et dynamique des environnements sédimentaires (CNRS/Université Paris 11) et du Laboratoire de physique théorique de la matière condensée (CNRS/Université Paris 6), proposent un modèle capable de rendre compte de ces mesures. Dans ce modèle des "sphères dures", le liquide silicaté (le magma) et le gaz comprimé présent dans les vésicules (le CO2 et les gaz rares) sont décrits comme des ensembles de particules sphériques impénétrables.

Les chercheurs ont utilisé ce modèle pour quantifier le scénario de vésiculations successives lors de la montée du magma sous une dorsale. Les basaltes "pop-corn" ("popping-rocks" en anglais) sont des basaltes très rares et très riches en gaz. Ils contiennent environ 18 pour cent de vésicules qui éclatent en partie sous l'effet de leur pression interne lorsqu'ils sont remontés sur le pont du navire. Selon le modèle des chercheurs, la vésiculation de ces échantillons rares a lieu vers 30 kilomètres sous le plancher océanique, puis ils remontent sans perdre leurs vésicules jusqu'à l'éruption sur la dorsale. Mais l'immense majorité des basaltes des dorsales ont perdu leurs vésicules. Le modèle montre qu'il faut plusieurs étapes successives de vésiculation et de dégazage pour reproduire la grande variabilité et les très faibles concentrations en gaz des échantillons. La dispersion des données ne fait que refléter l'histoire de la dynamique volcanique propre à chaque magma.

Les implications du modèle "des sphères dures"

Aux conditions de température et de pression qui règnent dans le manteau (1.400°C et quelques dizaines de kilobars à 100 kilomètres de profondeur), le CO2 est un "fluide supercritique" dense, c'est-à-dire que sa densité volumique (le nombre de moles par unité de volume) est proche de celle du magma. Au cours de la vésiculation, la probabilité de transfert des gaz rares du magma vers le CO2 dépend très étroitement de leurs densités respectives, donc de la profondeur qui impose la pression. Le modèle utilisé jusqu'à présent, qui considérait le gaz comme un "gaz parfait" à toute profondeur et le liquide silicaté comme incompressible, n'est plus valable dans ce contexte. En réalité, le transfert de l'argon est 10 fois plus faible que celui escompté jusqu'à présent et celui de l'hélium baisse de moitié. Les prévisions du modèle ont été validées par les valeurs observées lors d'expériences où l'on met un magma en contact avec de l'argon sous pression.