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Michel Detay
Géologue et volcanospéléologue
Manifestations solfatariennes
(eau et feu). Dallol, dépression
de l'Afar (Ethiopie).
Photo prise par cerf-volant.
DOSSIER
L
’
E
A
U
proposition
en cours
L’eau est présente et agissante partout dans le
volcanisme terrestre : dans le magma, les laves, les
fumerolles, les geysers, les cendres, les gaz… Elle
l’est tout autant dans le volcanisme sous-marin,
mille fois plus important mais beaucoup plus dis-
cret – on l’appelle « crypto-volcanisme » –, où elle
« met le feu » en permanence à l’un des 1,5 million
de volcans qui tapissent le plancher océanique.
ET
LE FEU
’
’, au siècle avant notre ère, a
compris que la Terre formait un corps isolé dans l’espace,
les philosophes, les alchimistes et les scientifiques ont
cherché à comprendre sa structure. Mais comment, alors
qu’elle nous est inaccessible ? Des conceptions aristotéli-
ciennes à la volcanologie physique, nous sommes passés
de la stratification sphérique des quatre éléments d’Aris-
tote – terre, eau, air et feu – à l’investigation scientifique
des profondeurs de notre planète.
Les « montagnes qui crachent le feu », comme les quali-
fiait Buon au siècle, ont la particularité de mettre
en jeu ces quatre éléments. Plus précisément, elles appa-
raissent aujourd’hui comme héritières du mariage alchi-
mique de l’eau et du feu. Sans eau, pas de volcanisme,
pas de tectonique des plaques, donc pas de vie. Sans vol-
canisme, la Terre serait un astre mort.
LA TERRE, MACHINE
THERMIQUE
La machine thermique que représente la Terre s’exprime
en surface par la tectonique des plaques, théorie née dans
les années qui unifie le mouvement des plaques et la
répartition des volcans sur la planète. Jusqu’alors, cette
dernière était l’objet de nombreuses conjectures.
Plus récemment, on a découvert que cette dynamique
planétaire n’est rendue possible que grâce à la présence
d’eau dans le manteau : l’équivalent d’une masse océa-
nique – l’ensemble des océans terrestres –, et peut-être
beaucoup plus (suivant les hypothèses, jusqu’à sept
masses). Le cycle de l’eau de la terre profonde fait perdre
de l’eau au manteau par le volcanisme (fig. ), mais ce
volume est compensé par un volume équivalent intro-
duit le long des km de zones de subduction. La
Terre jouit donc aujourd’hui d’un régime stationnaire.
D’autres planètes et satellites comme Mercure, Mars la
Lune ont perdu définitivement leur eau par le
volcanisme, et la tectonique des plaques s’y est arrêtée.
Privés de cette dynamique, ces astres sont morts.
UNE ÉTONNANTE
COALITION
L’e a u a p pa ra ît c om m e l a mo l éc ul e e ss en t ie ll e à la d yn a -
mique globale, mais aussi au phénomène volcanique.
Quand les volcans s’expriment, c’est en émettant dans l’at-
mosphère des cendres et des gaz mêlés de vapeur d’eau,
ou en libérant de la lave elle-même imprégnée d’eau.
L’eau et le feu sont intimement liés au cœur de notre pla-
nète, et le volcanisme témoigne de cette étonnante coali-
tion. Elle apparaît sur les terres émergées dans :
– l’individualisation du magma ;
– le phénomène éruptif ;
– les éruptions hydrovolcaniques et les manifestations
hydrothermales (fumerolles, solfatares, geysers, lacs de
cratère, éruptions limniques, volcans de boues…).
Les océans, qui recouvrent plus des deux tiers de la
Terre, hébergent également un « crypto-volcanisme »,
avec au moins , million de volcans sous-marins, soit
mille fois plus que les milieux terrestres.
L’hydrovolcanologie étudie la présence d’eau dissoute
dans les magmas et les réactions induites dans le mag-
matisme et lors des éruptions volcaniques. On trouve
des concentrations significatives d’eau dans les magmas,
jusqu’à % de leur masse. Il ne s’agit pas d’eau liquide,
mais de sa forme « hydroxylée » qui entre dans la com-
position des minéraux magmatiques. Elle participe à la
constitution d’autres formes minérales lors de certains
phénomènes de cristallisation et de fusion partielle du
magma, ou lors de sa remontée vers la surface.
Par ailleurs, l’eau représente quelque % des gaz
émis lors des éruptions volcaniques. Ces données, déter-
minantes pour la volcanologie moderne, permettent par
exemple de comprendre comment une éruption eusive,
sans réel danger, peut se transformer en éruption explo-
sive, extrêmement dangereuse, et inversement. Le phé-
nomène éruptif étant particulièrement instable, il rend
toutes prévisions pour le moins délicates.
LE VOLCANISME,
UNE HISTOIRE D’EAU
La volcanologie s’est longtemps cantonnée à l’observa-
tion des phénomènes volcaniques. Elle a été de ce fait
plus descriptive que conceptuelle. Il faut aujourd’hui
abandonner les panthéons, s’aranchir de Vulcain et de
ses forges, pour s’intéresser à une volcanologie physique
où l’eau joue un rôle central.
Par convention, on parle de volcanologie quand il y a
émission de lave en surface, mais cela ne représente que
la partie émergée du magmatisme. En réalité, il y a une
continuité entre la mise en place d’un pluton (intrusion
de magma en profondeur), et les émissions de lave en
surface (volcanisme).
Contrairement à une idée reçue, nous ne marchons pas
sur une boule de magma, produit dans des conditions bien
précises et en des lieux particuliers et localisés. À l’état
normal, le manteau terrestre est à l’état solide presque
partout : il n’y a pas de feu central. Le Pyriphlégéthon
qui, selon Platon, alimentait tous les volcans de la Terre
n’existe pas.
Face à une éruption, il faut comprendre que tout a com-
mencé, à quelques kilomètres sous nos pieds, par la
fusion partielle des roches au sein du manteau et/ou de
la croûte. Le mécanisme dominant dans la production de
magma est la décompression : les roches fondent partiel-
lement lors de leur remontée à mesure que la pression
décroît. Les magmas terrestres, plus légers que les roches
de l’écorce terrestre, sont propulsés vers le haut par la
poussée d’Archimède. Ils contiennent des éléments vola-
tils comme l’eau et le dioxyde de carbone, dont la solubi-
lité est une fonction croissante de la pression. On assiste
alors à l’individualisation puis à la remontée de magma
dans un réseau de fractures constituant la « plomberie »
magmatique jusqu’à la chambre du même nom. Il fait
alors une pause, s’accumule et continue d’évoluer par la
cristallisation et l’individualisation en une mousse mag-
matique. L’éruption à proprement parler est finalement
conditionnée par la libération de l’eau, qu’on appelle
exsolution. C’est la fragmentation du magma qui déter-
mine le style éruptif exprimé en surface ; dans la plupart
des cas, les éléments volatils (eau et gaz carbonique, prin-
cipalement) sont dissous aux fortes pressions qui règnent
dans les réservoirs magmatiques. La baisse de pression
résultant de l’ascension conduit systématiquement à l’ap-
parition d’une phase gazeuse. Une concentration en eau
de % dans un magma en profondeur produit un volume
de gaz de % en surface à la pression atmosphérique !
Ainsi, le phénomène éruptif apparaît sous la dépendance
majeure de la molécule d’eau, qui joue un rôle essentiel,
au point de conditionner le type d’éruption, eusive ou
explosive. Et lors de l’éruption, plus de % des gaz vol-
caniques sont composés de vapeur d’eau.
Proche de la surface, le phénomène de fragmentation
revêt une importance centrale, car c’est lui qui détermine
SANS EAU, PAS DE
VOLCANISME,
PAS DE TECTONIQUE
DES PLAQUES,
DONC PAS DE VIE.
fig. 1 : cycle de l’eau
profond, flux en kg.an
— Volcanisme de subduction
,.
— Volcanisme de pointchaud
ε
— Évaporation océanique
,.
— Hydrothermalisme
entre: ., sort: ,.
— Minéraux hydroxylés
. (. entre dans
le manteau profond)
— Volcanisme de dorsale
.
— Pluies sur l’océan
.
— Fleuves
,.
— Évaporation continentale
,.
— Pluies sur les continents
.
— Asthénosphère
’
le régime de l’écoulement. Sous la surface, il marque le
passage entre l’écoulement laminaire du magma chargé
de bulles et l’écoulement turbulent de gaz chargé de
fragments. Après la sortie, il détermine si l’éruption va
se développer en colonne magmatique plinienne (sans
grand danger) ou en coulée pyroclastique (nuée ardente
extrêmement meurtrière).
SUR LES TERRES ÉMERGÉES
On dénombre environ volcans actifs pendant les
dernières années (Holocène). Environ la moitié le
sont encore, comme en témoigne la cinquantaine d’érup-
tions qui se produisent en moyenne chaque année. Les
plus gros volcans terrestres sont situés dans les océans :
– L’île de Hawaï, qui culmine à m, émerge de l’océan
à partir du fond océanique, quelque m plus bas.
C’est donc un édifice de plus de m, bien plus haut
que l’Everest.
– Le massif Tamu, un volcan gigantesque qui vient
d’être identifié sous la Pacifique, dont la superficie de
km dépasse celle des îles Britanniques.
L’hydrovolcanologie couvre également le champ des phé-
nomènes paravolcaniques avant et après les éruptions :
solfatares, fumerolles, sources chaudes, flux géother-
miques. Elle permet de mieux comprendre la dynamique
des lacs de cratère et des lacs de rift, souvent sursaturés en
d’origine volcanique et susceptibles d’éruptions lim-
niques (libération brutale du gaz carbonique, comme aux
lacs Nyos et Monoun au Cameroun). L’hydrovolcanologie
présente en fait une perspective nouvelle au cœur de
la volcanologie physique : l’eau y est à la fois l’élément
déclencheur, voire le catalyseur, d’éruptions explosives
majeures, mais aussi un indicateur précieux en matière
de prévision et de gestion du risque.
EN MER, UN MONDE
CRYPTOVOLCANIQUE
Grâce aux campagnes océanographiques et à la cartogra-
phie des océans, on a réalisé l’importance et le nombre
des structures volcaniques océaniques. C’est au fond des
océans que l’on trouve le plus de volcans, situés dans
l’axe de la dorsale mais aussi en dehors. Ils sont très nom-
breux, plus de , million sur le plancher océanique de
la plaque Pacifique. Ces objets sous-marins particuliers
sont interprétés comme le signe du surplus de produc-
tion magmatique d’une dorsale. Un volcanisme en excès
donc, où un faible volume de magma – de l’ordre de %
de la production de la dorsale – ne s’épancherait pas et
resterait localisé sous la croûte océanique fraîchement
formée : on parle alors de sous-placage magmatique, qui
s’épancherait « à l’occasion » en profitant des zones de fai-
blesse (fractures) de la jeune croûte.
Schématiquement, le long d’une ceinture qui part de
l’Islande, île volcanique où Jules Verne a fait débuter son
Voyage au centre de la Terre, et qui traverse l’Atlantique
jusqu’à l’île Bouvet, au nord du continent antarctique, se
succèdent une série de volcans sous-marins constituant
les dorsales océaniques, immense chaîne de km
qui parcourt les océans (Atlantique, Indien, Pacifique) et
contourne l’Antarctique.
Cette chaîne montagneuse culmine, en moyenne,
m plus haut que le plancher océanique. La dif-
férence d’altitude vient de ce que les roches des dorsales
sont plus chaudes et dilatées, donc plus légères que les
vieilles roches lithosphériques froides qui forment le
plancher océanique. C’est au niveau de la dorsale que la
lave s’écoule et que les intrusions prennent place pour
former le plancher océanique.
Vu les profondeurs concernées, l’éruption passe ina-
perçue en surface : dès que la pression hydrostatique
est supérieure à une lame d’eau de mer de m, elle
empêche la libération des gaz volcaniques, qui se dis-
solvent dans l’eau ou restent piégés dans les laves. Les
roches volcaniques prélevées au fond des océans sont
joliment dénommées popping rocks car elles sont suscep-
tibles d’éclater du fait des bulles de gaz emprisonnées
dans la lave à la pression du fond océanique, soit plu-
sieurs centaines de bars.
Ce phénomène éruptif est quasi permanent : il y a
toujours une zone de la dorsale active et qui contribue à
former un nouveau plancher océanique, à un rythme d’ex-
pansion moyen de à cm par an. À son autre extrémité
dans les fosses océaniques, le plancher est continuelle-
ment détruit, englouti dans le manteau le long des zones
de subduction. C’est encore l’eau qui, introduite par la
plaque plongeante à l’aplomb des subductions, est cause
de la fusion partielle des roches. Pour la majorité des vol-
cans aériens, c’est aussi l’eau qui « met le feu » aux volcans.
Grâce à cette dynamique, le système est à l’équilibre,
la surface et le volume de la Terre restant constants. Là
encore, contrairement à une idée reçue, ce n’est pas la
dorsale qui « pousse » le plancher océanique mais la
plaque subduite qui le « tire ».
LE RÈGNE DE
L’IMPERMANENCE
La lithosphère, enveloppe externe de la Terre, se forme
le long des dorsales, disparaît dans le manteau en provo-
quant des tremblements de terre et en donnant naissance
à des fosses océaniques (zones de subduction), des vol-
cans, des arcs insulaires et des chaînes de montagnes. Les
dorsales ne sont pas des structures fixes, elles bougent les
unes par rapport aux autres, comme les fosses. Tout est
mobile, rien n’est permanent.
Cette dynamique a notamment trois conséquences :
– les structures océaniques ont la mémoire courte et dis-
paraissent sans laisser de traces ;
– les zones de subduction formeront les plus hautes
montagnes ;
– les points chauds complètent la théorie de la tectonique
des plaques.
Les structures océaniques
ont la mémoire courte
Le cycle de vie des structures océaniques les voue à l’en-
gloutissement dans le manteau, et toute trace de leur
existence disparaît de la surface terrestre : un casse-tête
pour les géologues qui cherchent à reconstituer l’histoire
de la planète.
Des guirlandes d’îles aux plus hauts sommets
En bordure d’Asie, on trouve des guirlandes d’îles comme
autant de petits morceaux de continents : l’Indonésie,
les Philippines, Timor, la Papouasie-Nouvelle-Guinée.
Comme l’Australie migre vers le nord, elle emboutira
dans une cinquantaine de millions d’années l’ensemble
qui, écrasé contre l’Asie, deviendra une gigantesque
chaîne de montagnes comparable à l’Himalaya.
Hawaï et les points chauds
La théorie de la tectonique des plaques a été complétée
par celle des points chauds, zones privilégiées de dissi-
pation de la chaleur interne de la planète. Ces remontées
de matière chaude, les « panaches mantelliques », consti-
tuent des zones de volcanisme privilégié. L’île de Hawaï et
l’Islande, par exemple, sont situées sur des points chauds
et les éruptions y sont très fréquentes. Quant aux îles
océaniques, la bataille de l’eau et du feu y est spectacu-
laire. La lave remonte du fond de l’océan sur des milliers
de mètres et s’écoule en surface, voire reprend ses droits
Manifestation solfatarienne à Námafjall, Islande.
niveau de la mer
°C
°C
°C
km
km
km
°C
°C
°C
°C
°C
’
sur la mer en formant des « deltas de lave » : les interac-
tions eau-lave provoquent un cortège de manifestations
hydrovolcaniques, dont les objets volcaniques éphémères
qui se forment lorsqu’une coulée de lave atteint l’océan et
édifie une étroite banquette au-delà de la frange côtière
préexistante. Le delta croît pendant plusieurs semaines,
voire quelques mois, jusqu’à atteindre un à quatre kilo-
mètres d’extension et gagner plusieurs centaines de
mètres sur l’océan. Lorsqu’il atteint une taille critique,
il s’eondre subitement et disparaît dans un grand fra-
cas. Les deltas de lave, qui apparaissent et disparaissent
de manière cyclique, s’accompagnent de manifestations
hydrovolcaniques violentes, et leur eondrement est par-
fois à l’origine de tsunamis.
Des îles océaniques volcaniques peuvent être isolées
(la Réunion) ou au contraire, se situer à l’extrémité de
chaînes volcaniques sous-marines (Hawaï-Empereur) :
elles représentent l’émergence d’un point chaud. Elles
sont également présentes sur des « lignes chaudes » où
plusieurs émissions volcaniques peuvent avoir lieu simul-
tanément, même si les édifices volcaniques sont parfois
très éloignés.
Le spectre du volcan et la naissance
des atolls et des lagons
Le volcanisme sous-marin produit également des objets
caractéristiques appelés seamounts dans un environne-
ment de point chaud. C’est le cas de Hawaï, de l’île de
la Réunion, de la Polynésie française, notamment. Le
mécanisme est assez simple : un volcan se met en place à
l’occasion d’une remontée de manteau profond au cœur
d’une plaque océanique. Tant que le point chaud est actif,
le volcan forme un relief, une île. Au fur et à mesure que
la plaque se déplace, le volcan perd son alimentation
et commence à s’enfoncer sous son propre poids (sub-
sidence de l’objet géologique à laquelle s’ajoute la sub-
sidence générale de la plaque). Un massif de corail en
profite pour se développer et remplace progressivement
le sommet du volcan, jusqu’au moment où il ne reste plus
que lui en surface. C’est ainsi que naissent les lagons et les
atolls quand les conditions climatiques sont adéquates :
ce sont en quelque sorte les « spectres des volcans ». L’eau
de pluie, plus légère que l’eau de mer, s’infiltre dans les
calcaires et forme une lentille d’eau douce qui flotte sur
l’eau de mer, permettant ainsi à la flore de se développer,
voire aux hommes de subsister.
Au sens strict, les seamounts n’émergent pas en surface
pour former une île susceptible d’évoluer en atoll, mais
restent des objets sous-marins où se développent des
écosystèmes très riches. Ils sont les témoins d’un vol-
canisme historique qui permet de tracer l’évolution du
point chaud et sa migration au cours du temps. Le stade
ultime, appelé guyot, est entièrement sous-marin (fig. ).
La plaque pacifique occidentale, par exemple, héberge
des points chauds qui ont formé des archipels : Hawaï, les
Samoa, l’archipel de la Société, l’archipel des Australes et
Gambier-Pitcairn, Louisville…
EN MER,
LES RESSOURCES
DE DEMAIN
Dans le cycle de l’eau, chaque éruption sous-marine
contribue au dégazage du manteau et libère dans l’envi-
ronnement des composés volatils qui se dissolvent dans
la mer avant de participer à d’autres cycles géochimiques.
Selon diverses estimations, à milliards de mètres
cubes d’eau participent, chaque année, à cette circulation
hydrothermale. Cela signifie que l’ensemble de la masse
d’eau des océans est recyclé par les systèmes hydrother-
maux tous les , à millions d’années.
Les évents hydrothermaux des rides océaniques ont
été découverts en , après de longues recherches
sous-marines le long du rift des Galapagos sur la dor-
sale Est-Pacifique. Dans ces évents, c’est encore l’eau qui,
chauée en profondeur par le magma, lessive les roches
qu’elle traverse et concentre de nombreux minéraux :
fumeurs, gisements de minerai sulfuré et de cuivre por-
phyrique, nodules polymétalliques (fer, zinc, cobalt,
nickel, manganèse).
Les évents hydrothermaux concentrent ainsi des res-
sources qui représentent la prochaine frontière tech-
nologique, dès que les conditions économiques seront
atteintes et que l’environnement juridique aura évolué.
Situées la plupart du temps dans des zones interna-
tionales, ces richesses constituent l’un des principaux
enjeux financiers, technologiques et écologiques de la
redistribution et de l’extension des zones territoriales.
Aujourd’hui, plus d’une centaine de sites hydrother-
maux ont été reconnus, et on estime que les ressources
hydrothermales paravolcaniques sous-marines équi-
valent à l’ensemble des mines terrestres connues. Voici
assurément une opportunité d’exploitation impression-
nante, née de la symbiose de l’eau et du feu.
’
Dans les parties centrales
désertiques de l’océan tropical,
les atolls sont de véritables
oasis de vie. Leur modèle
classique de fonctionnement,
basé sur les seuls échanges
horizontaux entre le lagon et
l’eau de surface oligotrophe
(pauvre en nutriments), ne
permet pas d’équilibrer les
bilans nutritifs. Pour rendre
compte de la production
organique élevée, une source
de nutriments extérieure à
l’écosystème est nécessaire, en
particulier pour le phosphore
et la silice. Le concept
d’«endo-upwelling géother-
mique» a été développé pour
rendre compte de ces écosys-
tèmes particuliers. Il corres-
pond à une remontée d’eau
(upwelling) océanique
profonde à travers la structure
interne de l’atoll sous l’action
du flux géothermique; riche en
nutriments, cette eau alimente
la biocénose (ensemble des
êtres vivants) constructrice
de surface.
notes
. Le terme de ligne chaude (hot
line) désigne le magmatisme des
alignements d’îles et de sea-
mounts, comme celle s’étendant
sur km sur la plaque Nazca
de San Felix et San Ambrosio
(proches du Chili) à l’île de
Pâques. Cette ligne a la particula-
rité d’avoir été active, au cours
des trois derniers millions
d’années, en plusieurs points
très éloignés.
. Les « nodules » du fond des
océans ont été découverts en
dans la mer de Kara
(ex-). Les nodules polymé-
talliques se présentent sous
la forme de concrétions,
de petites boules, de couleur
brun-noir légèrement aplaties
de à centimètres de diamètre
reposant sur le fond entre
et mètres de profondeur.
fig. 2 : formation
et évolution
d’un point
chaud
— Sédiments
volcanoclastiques
— Zone de
production de
magmas
— Croûte
océanique
— Stockage
de magmas
— Zone de
fusion débutante
— Sous-placage
magmatique
— Panache de
manteau (solide)
— Zone de
volcanisme actif
en surface
— Manteau
supérieur
— Lithosphère
océanique
— Moho (limite
entre la croûte
terrestre
et le manteau
supérieur)
— Mouvement
de la plaque
Édifices anciens :
— Guyot
— Atoll
Îles hautes :
— Récif
frangeant
— Méga-
glissement sur les
flancs du volcan