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Dossier - Les volcans magiques et fascinants
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Les volcans fascinent et inquiètent. Face à leur puissance destructrice, le seul moyen de se défendre est encore de prévoir le jour de leur réveil.

  
DossiersLes volcans magiques et fascinants
 
Trépied qui sert de support à l'antenne, capteur des messages radios émis par la constellation de satellites GPS. Malicolo, Vanuatu. © IRD/Stéphane Calmant.

Evaluer les risques que représente un volcan revient d'abord à étudier la dynamique de ses éruptions ainsi que leur fréquence. L'étape suivante consiste à connaître les processus qui en sont à l'origine, le fonctionnement interne du volcan et son degré d'évolution. Une telle démarche, fondée sur des méthodes géologiques, géochimiques et géochysiques, permet d'établir des scénarios apportant des informations sur la nature d'une future éruption, sur son déroulement, et de préciser la répartition des produits volcaniques dans l'espace.

Déterminer le moment où se produira cette éruption est le plus difficile, comme nous venons de le voir. Or, c'est le point crucial pour décider d'une évacuation. Pour mener à bien cette prévention, les scientifiques disposent quand même d'un certain nombre d'outils.

  • L'histoire au service des volcanologues

La volcanologie s'est affranchie peu à peu des mythes et des croyances véhiculés par les hommes, et que l'on retrouve, avec des rites et des symboles souvent proches, en Asie, en Afrique, en Amérique, en Europe et en Océanie : offrandes, sacrifices, prières, incantations auprès de divinités, etc. Sur tous les continents, les cratères des volcans sont des lieux surnaturels où se réfugie souvent l'esprit des morts (Congo, Mexique, Pérou, Vanuatu...).

L'analyse de documents historiques, permet, parfois, de dater les manifestations volcaniques et d'en reconstituer le déroulement. Les sociétés humaines qui utilisent l'écriture ont consigné sur des manuscrits, au travers d'annales historiques et de récits, les traces des événements exceptionnels, fournis par les volcans. Une partie de leur histoire peut ainsi être reconstituée.
Les sociétés de tradition orale peuvent également contribuer à la connaissance d'une région et guider le travail des volcanologuesC'est ainsi que dans l'archipel des Nouvelles Hébrides, depuis plus de 500 ans, l'histoire d'un cataclysme ayant fait disparaître sous la mer la majeure partie d'une île, est racontée de génération en génération. D'abord recueillie par des missionnaires, puis rapportée par des anthropologues, cette légende a guidé des archéologues qui en ont découvert les preuves et réalisé les premières datations. Enfin, des géologues ont situé, estimé et daté avec précision (1452) la gigantesque explosion volcanique responsable de ce cataclysme.

  • Consulter les archives de la terre
Pour les volcans menaçants, la connaissance de leurs phénomènes éruptifs, au long des siècles et même des millénaires, est primordiale. Elle s'obtient par l'analyse des dépôts qu'ils ont laissés. Lorsqu'ils sont récents et peu érodés, l'étude de ces dépôts et leur datation, à l'aide de méthodes comme celle du carbone 14, permettent de définir des cycles éruptifs.
Tronc carbonisé dans les dépôts ponceux mis en place sur l'île de Tongoa, Vanuatu, lors de la formation de la caldera sous-marine de Kuwae en 1452 (une des plus violentes éruptions de notre ère). © IRD/Michel Monzier

Par exemple, les retombées aériennes présentent deux avantages : d'abord par leur extension, elles constituent de bons repères stratigraphiques ; ensuite, ces repères peuvent être datés lorsqu'elles renferment des bois carbonisés ou lorsqu'elles sont intercalées avec des sols.

L'étude de ces retombées, grâce à la morphoscopie et à la granulométrie (classements selon l'aspect physique et la taille des grains), rend compte des caractéristiques et de l'évolution des dynamismes éruptifs. Cette première étape conduit naturellement à la connaissance géographique des risques. Il est alors possible d'élaborer des cartes de menaces, incluant l'environnement anthropique. Établies à partir d'observations de terrain (la répartition des types de produits, par exemple), ces cartes peuvent être affinées en laboratoire à l'aide de modèles numériques prenant en compte certaines données, comme une topographie détaillée, pour définir le parcours des écoulements.

  • Prendre le pouls des volcans

Les études géologiques conduisent à élaborer des modèles d'évolution des appareils volcaniques à différentes échelles de temps.

Ainsi a-t-on pu constater qu'après une longue période d'inactivité, lorsque le magma atteint un stade avancé de cristallisation, sa pression gazeuse devient suffisante pour ouvrir les conduits vers le haut. La décompression brutale provoque l'émission d'un grand volume de cendres et de poncesUne large dépression (caldeira) se forme alors en surface par effondrement, suite au vide créé dans la chambre magmatique. Le glissement d'un secteur entier du volcan, consécutif à la lente montée du magma visqueux (éruption du mont Saint Helens, en 1980), peut représenter une variante à ce scénario, ou bien se produire plus tard, lorsque l'édifice est à nouveau reconstruit. Dans les deux cas, le volume de matériel déplacé est gigantesque : plusieurs kilomètres cubes, parfois plusieurs dizaines de kilomètres cubes. Pourtant, de telles éruptions marquent très rarement la fin de l'activité volcanique. En règle générale, du magma nouveau monte épisodiquement depuis des zones profondes et prolonge l'activité.

Selon la composition plus ou moins acide des laves nouvellement émises et leur viscosité plus ou moins grande, l'un ou l'autre des deux appareils volcaniques suivants se forme.

Piton de la fournaise éruption 2004

Si les laves sont riches en silice, très cristallines et visqueuses, elles ne s'écoulent pas ou seulement sur de très faibles distances (c'est le cas des volcans explosifs). En se refroidissant, les laves forment des dômes dont l'intérieur et les racines restent chauds. Dans les parties supérieures du conduit et du réservoir le plus élevé, du fait du refroidissement et de la poursuite de la cristallisation, la pression des gaz augmente de nouveau. Après une longue période de repos apparent, cette pression peut provoquer la déformation, puis la déstabilisation des dômes, leur effondrement et/ou l'ouverture brutale de la cheminée. En Équateur, le volcan Cayambe, dont le sommet est composé d'une série de dômes sans activité visible, est l'exemple parfait d'un volcan en état de " mise sous pression " et au sommeil trompeur.

Deux sortes de produits caractérisent les éruptions de ce type de volcan :

les écoulements pyroclastiques, ou nuées ardentes,
les retombées pliniennes, à partir de panaches qui s'élèvent à haute altitude, formés de cendres, de fragments vésiculés de magma (ponces) et de petits blocs rocheux provenant de la pulvérisation du bouchon.

Si les laves sont plus basiques et fluides, un nouveau cône se forme, prolongeant l'ancien. Ce cône est souvent le siège d'une activité complexe comprenant des cycles éruptifs alternant des périodes de construction par des coulées et de brefs épisodes explosifs pliniens. Ainsi, tous les 100 à 150 ans (c'est l'ordre de grandeur le plus fréquent), de grandes éruptions explosives reproduisent un scénario souvent propre au volcan (voir les éruptions de 1773 et 1886 du Tungurahua dans Gros Plan).

Entre-temps, l'évolution magmatique dans la chambre se poursuit en système fermé (cristallisation et augmentation des volatils dans le magma). Une reprise d'activité comprend souvent l'émission verticale d'une colonne éruptive dense (cendres correspondant au magma violemment expansé + ponces + bombes magmatiques + blocs provenant de l'ouverture de l'évent). En retombant, cette colonne donne naissance à des écoulements canalisés par les vallées, menaçant ainsi tous les flancs du volcan. La partie la moins dense de la colonne éruptive, quant à elle, est à l'origine de retombées de ponces et cendres dont l'extension peut être régionale.

Au cours des semaines ou des mois qui suivent ces explosions, les produits meubles sont remaniés en coulées boueuses (lahars) alors que des coulées de lave suivent, accompagnées d'explosions moins importantes au sommet.

  • Observer leurs sautes d'humeur

Les dynamismes éruptifs sont essentiellement liés à la viscosité des magmas et à leur teneur en gaz deux paramètres qui dépendent notamment de la composition chimique, du degré de cristallisation et de la température d'émission des laves. Par l'étude de leurs propriétés physico-chimiques (pétrographie, géochimie...), il s'agit de définir les conditions prééruptives et de découvrir les mécanismes pouvant déclencher ces dynamismes. Des associations minéralogiques complexes, des déséquilibres ou de changements de la vitesse de croissance des cristaux, observés dans les laves émises successivement, donnent des informations capitales sur la vitesse de remontée du magma, l'état de la chambre magmatique, les temps de résidence du magma dans celle-ci, etc.

Piton de la fournaise éruption 2004

L'étude et la surveillance d'un volcan dépendent de la menace qu'il exerce : la proximité d'agglomérations, le souvenir d'une crise récente, voire d'une éruption aux conséquences dramatiques, sont des facteurs qui justifient la mise en place d'un observatoire. Les volcans isolés peuvent également être l'objet d'une attention particulière lorsqu'ils menacent la circulation aérienne.

C'est pourquoi l'Organisation de l'aviation civile internationale coordonne un système d'alerte auquel contribuent des observatoires volcanologiques de différentes régions du monde. Cependant, si les pays riches disposent d'infrastructures performantes, il n'en va pas de même pour les pays en voie de développement. Ces derniers sont soumis aux aides extérieures, apportées dans le cadre de la coopération pour la formation de personnels et la mise en oeuvre d'équipements. Actuellement, environ 160 volcans aériens sur les quelque 600 en activité sont équipés d'observatoires de proximité avec lesquels on pratique en permanence ou de manière récurrente de nombreuses mesures.

L'étude sismologique, basée sur l'analyse des vibrations du sol dues aux mouvements du magma ou au dégazage dans les conduits et réservoirs supérieurs, est la méthode de surveillance la plus classique. Des mouvements internes du magma ou un nouvel apport de magma profond à la chambre entraînant un gonflement de l'édifice volcanique, celui-ci peut être suivi grâce à un réseau d'inclinomètres capables de détecter en surface de très faibles écarts angulaires. Des appareils, comme les distance-mètres, calculent les variations de la durée du trajet d'un rayon laser sur des réflecteurs disposés à la surface du volcan pour en contrôler les déformations.

  • L'aide précieuse des satellites

Grâce à la réception de données satellitaires, le système GPS (Global Positioning System) permet d'obtenir également des mesures sur les mouvements du sol avec une précision centimétrique.

Station sismologique portable Leas : en bas, le GPS est un élément indispensable pour obtenir l'heure en temps universel, nécessaire à la datation des séismes enregistrés. Equateur. © IRD/Francis Bondoux

D'autres observations sont menées conjointement, apportant leur lot de précieuses informations. Les perturbations occasionnées par les transferts de magma et de produits volatils en profondeur entraînent des variations sur les mesures du champ magnétique terrestre et du champ de pesanteur, mesures enregistrées depuis la surface à l'aide de magnétomètres et de gravimètres. Les mesures des changements de température des gaz (fumerolles), des eaux (lacs de cratère) et des laves, ainsi que l'analyse sur le terrain ou en laboratoire des modifications chimiques, renseignent également sur le comportement des magmas.
L'observation permanente de la Terre par des satellites permet de repérer les volcans en activité, de surveiller les zones menacées, de suivre les panaches de poussières et de gaz projetés dans l'atmosphère.

Installation d'un point de mesures géodésiques (GPS) à proximité du volcan Yasur. La géodésie est la science qui a pour objet l'étude de la forme, des dimensions et du champ de gravitation de la Terre. Ile de Tanna, Vanuatu. © IRD/Michel Lardy.

Les techniques modernes offrent également la possibilité de repérer les anomalies des sources de chaleur à partir d'images infrarouge, de réaliser la collecte automatique des données des stations de terrain et de les redistribuer en temps réel aux laboratoires pour analyse, au travers des réseaux de messagerie électronique.

  • Reproduire les phénomènes en laboratoire

Le développement de la modélisation dans les laboratoires de volcanologie complète les observations sur le terrain en période de crise. Elle est souvent fondée sur l'analyse d'images (une séquence vidéo reproduisant l'évolution d'un panache, par exemple) et sur la comparaison entre les résultats d'expérimentations obtenues sur modèles réduits et les phénomènes naturels observés.

Les panaches de cendres représentent un réel danger pour la navigation aérienne. Aussi, à partir de mesures effectuées sur le terrain, puis en laboratoire, des modèles théoriques permettent d'estimer les caractéristiques des éruptions : volumes émis, hauteur des colonnes, vitesse d'émission, débit, etc. La modélisation numérique est employée pour reproduire les propriétés dynamiques et thermodynamiques d'une colonne éruptive, tout en prenant en compte l'évolution de la température et la pression de l'atmosphère en fonction de l'altitude ou du régime des vents.

En modélisation analogique (fondée sur des rapports de similitude), grâce à l'utilisation de matériaux de densité différente, des progrès considérables sont actuellement accomplis sur la compréhension du comportement des écoulements pyroclastiques. Avec l'utilisation du silicone, l'étude des déformations des flancs des volcans enregistre les mêmes progrès.

L'objectif de la volcanologie actuelle passe par la mise au point de nouvelles méthodes autant sur le terrain qu'en laboratoire pour mieux comprendre et mieux prévoir les processus "chaotiques" qui se déroulent à l'intérieur d'un volcan.