La quantité d'eau présente dans le magma influence sa capacité à remonter dans les conduits volcaniques. © Ecuadorquerido, Adobe Stock
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Les éruptions volcaniques sont en partie contrôlées par la quantité d’eau présente dans le magma

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L'eau est un élément important dans la génération du magma. Mais des chercheurs viennent de montrer que la quantité d'eau dans le magma influencerait également sa capacité à remonter dans les conduits volcaniques.

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Avant une éruption, le magma est stocké en profondeur au sein de la croûte terrestre, dans un complexe réseau de réservoirs magmatiques. Mais la façon dont va évoluer ce magma n'est pas évidente et dépend de nombreux paramètres. Il peut remonter rapidement jusqu'à la surface pour donner lieu à une éruption, ou au contraire rester en profondeur où il commencera à cristalliser pour former un pluton. L'une des vues traditionnelles est de considérer que la remontée du magma est liée à un déséquilibre de densité par rapport à l'encaissant, et que si la densité s'équilibre, le magma reste en profondeur et commence à cristalliser en se refroidissant.

La façon dont remonte le magma est encore mal comprise. © Sebastiano, Fotolia

Une nouvelle étude met cependant en lumière l'importance de l'eau au sein du liquide magmatique et son rôle dans l'ascension ou la stagnation du magma au sein des conduits du système volcanique.

Comprendre la dynamique pré-éruptive pour anticiper les éruptions

La compréhension de la dynamique pré-éruptive est en effet très importante pour l’anticipation des éruptions volcaniques et la gestion du risque aux abords de volcans actifs. Jusqu'à présent, les modèles de prédiction étaient basés sur le comportement passé du volcan considéré, ainsi que sur la surveillance de son activité sismique. Or, nous savons que chaque éruption est unique et dépend de fines variations des paramètres au sein des conduits volcaniques. Des variations que les scientifiques ont encore du mal à comprendre et donc à anticiper.

Par exemple, il apparaît que sous les arcs volcaniques actifs, situés à l'aplomb des zones de subduction, la profondeur de stockage du magma est très variable et peut s'étager de 0 à 20 kilomètres de profondeur. Les modèles actuels sont cependant incapables d'expliquer ces observations. De plus, il apparaît que le magma est généralement stocké à des profondeurs qui sont plus importantes que celles prédites par les modèles classiques, qui se basent majoritairement sur le contrôle de la densité et du principe d’Archimède.

L'équipe de recherche menée par Daniel Rasmussen de l'Observatoire de la Terre de Lamont-Doherty aux États-Unis montre que pour ces volcans d'arc, les profondeurs de stockage du magma correspondent plutôt à celles prédites par le dégazage de l'eau.

L’importance de l’eau dans les systèmes magmatiques

L'eau est en effet un élément particulièrement important dans ce contexte volcanique. Lorsqu'une plaque océanique entre en subduction et s'enfonce dans le manteau, elle entraîne avec elle la couverture sédimentaire gorgée d'eau qui la surmonte. Avec l'augmentation de la pression, l'eau va être extraite des sédiments, un peu comme une éponge que l'on presse, et va venir hydrater les roches situées au-dessus du plan de subduction. L'hydratation va avoir comme effet d'abaisser le point de fusion de ces roches, qui vont se mettre à fondre sous l'effet de la chaleur ambiante. L'eau apportée par la subduction va alors entrer dans la composition du magma ainsi produit.

Schéma d’une subduction avec génération d'un volcanisme d'arc. © Zyzzy2 Wikipedia, CC by-sa 3.0, Wikimedia Commons

On obtient un magma plus ou moins hydraté, qui va commencer sa remontée vers la surface à travers les conduits volcaniques (fissures, failles) sous l'effet de sa faible densité (simple processus d'Archimède). En remontant, la pression diminue et l'eau contenue dans le magma va commencer à s'échapper sous forme de vapeur, un peu comme lorsqu'on débouche une bouteille d'eau pétillante. Or, ce que l'équipe de Lamont-Doherty montre dans son étude, publiée dans la revue Science, est que ce dégazage en eau entraîne une augmentation de la viscosité du magma. En devenant plus « épais », le magma a ainsi plus de mal à monter dans les conduits et finit par rester bloqué à une profondeur plus importante que ce que prédirait l'équilibre des densités. Ce magma peut donc commencer à cristalliser en profondeur, à moins qu'il ne soit soumis à une perturbation, comme l'arrivée d'une nouvelle injection magmatique.  

Plus le magma est hydraté, plus il reste bloqué en profondeur

La profondeur à laquelle le magma commence à perdre son eau dépend de la quantité initiale d'eau présente. Il apparaît que plus le magma est hydraté, plus le début du dégazage intervient tôt (à plus grande profondeur). Les magmas à l'origine plus hydratés auraient ainsi plus de mal à remonter que les magmas « secs ». Pour valider ces hypothèses, les chercheurs ont étudié les inclusions de magma piégées au sein des cristaux des roches volcaniques. En effet, lorsque les cristaux se forment, lors du refroidissement du magma, ils peuvent emprisonner d'infimes quantités de magma « pur », dont la composition est représentative de celle du liquide magmatique originel, présent dans les réservoirs magmatiques profonds. Soixante-deux volcans d'arc ont ainsi été étudiés. Les données de profondeur obtenues ont été corrélées aux observations réalisées par diverses méthodes géophysiques et les résultats coïncident avec les prédictions du modèle : plus le magma cristallise en profondeur, plus sa quantité d'eau est importante.

La prise en compte de cette corrélation eau-profondeur permet de contraindre les modèles d'évolution du magma et de prévoir avec plus de précision la survenue d'éruptions. De plus, cela pourrait permettre de mieux comprendre le fonctionnement des volcans explosifs, la présence d'eau étant un facteur d'explosivité.    

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