(A106) Pourquoi les volcans entrent-ils en éruption ?

Explosion du volcan Tungurahua (Benjamin Bernard, 26/07/2007)

Aux magnifiques images de la dernière éruption de l’Etna nous sommes forcément amenés à nous poser des questions sur l’origine de ce spectacle époustouflant. Il y a quelques mois je répondais à cette question sur le blog Ceniza Ecuador et je pense que cet article mérite une traduction en français. Sans plus attendre je vais répondre à cette question.

La question simple : pourquoi les volcans entrent-ils en éruption ?

La réponse simple : parce que le magma est poussé vers la surface terrestre et parce qu’il arrive à se frayer un chemin.

Aussi simple que cela… pour comprendre un peu mieux le phénomène il faut peut-être expliquer la raison de la poussée et l’origine du chemin.

La poussée : le magma est produit en profondeur (typiquement dans le manteau supérieur ou à la base de la croûte terrestre à des dizaines de kilomètres de la surface) et remonte par flottabilité, de la même façon que l’huile dans les fameuses « lampes à lave ». La flottabilité, ou poussée d’Archimède, est une force de direction vertical qui dépend de la différence de densité entre deux corps. L’équation de la force de flottabilité est :

F = VgΔρ

Où V est le volume du magma, g est la force de gravité, et Δρ est la différence de densité entre le milieu (manteau ou croûte terrestre) et le magma.

Avec cette équation on peut comprendre que la flottabilité dépend aussi de la quantité de magma, un plus grand volume de magma a une plus grande flottabilité. De même une plus grande différence de densité produit une plus grande poussée d’Archimède.

Quand le magma est produit par la fusion partielle d’une roche mère, il a une densité inférieure à celle du résidu solide ce qui lui permet de commencer son ascension. Pendant l’ascension la densité du magma change pour deux raison : 1) la température du magma diminue en contact de roche plus froides (voir la notion de gradient géothermique), cela augmente sa densité ; 2) la pression de confinement (ou pression lithostatique) diminue pendant l’ascension, cela diminue sa densité. Au fur et à mesure de son ascension le magma rencontre des roches de moins en moins dense ce qui peut arrêter son ascension car s’il n’y a plus de différence de densité entre le magma et le milieu, on arrive à une zone de flottabilité neutre. Ceci arrive plus facilement avec la croûte continentale (ρ~2.7 g/cm³) qui possède une densité moindre que la croûte océanique (ρ~3.0 g/cm³). Si le magma ne rencontre pas de zone possédant une densité égal ou inférieur, ou si sa densité diminue grâce aux processus de la différenciation magmatique, alors le magma continue son ascension vers la surface. A moindre profondeur, les gaz dissous dans le magma se dilatent à cause de la diminution de la pression de confinement et des bulles commencent à se former dans le magma ce qui diminue fortement sa densité et produit une accélération de l’ascension vers la surface jusqu’à l’éruption. Dans certains cas, le magma peut être poussé vers la surface par un magma sous-jacent qui possède une flottabilité plus grande.

Le chemin : Le mode de transport du magma entre la zone de production et la surface change en fonction des propriétés du milieu. Dans les zones profondes, les roches ont un comportement ductile , c’est-à-dire qu’elles peuvent se déformer de manière plastique comme de la pâte-à-modeler. Dans ces régions le magma remonte comme l’huile dans la lampe à lave. Se processus s’appelle l’ascension diapirique et dépend de la flottabilité du magma et de la friction du milieu. Voici l’équation de la force de friction d’une sphère :

D = 6πrηv

Où r est le rayon de la sphère, η est la viscosité (résistance à l’écoulement) du milieu, et v est la vitesse terminal de la sphère.

Ainsi on peut comprendre que si le milieu possède une forte viscosité (ce qui est le cas pour le manteau et la croûte inférieur), la force de friction sera forte ce qui ralenti considérablement la migration du magma.

Dans les régions moins profondes, comme la croûte supérieure, les roches ne se déforment plus de manière ductile mais de manière fragile, c’est-à-dire qu’elle se fracturent. Dans ces régions la poussée d’Archimède doit surpasser la résistance des roches à la fracture pour pouvoir monter. Il est donc plus facile pour le magma de monter dans une zone préalablement fracturée, comme la Cordillère des Andes. Les fractures qui servent ou son créées par le passage du magma s’appellent des dykes et l’éruption se produit quand un dyke recoupe la surface terrestre. Dans le cas de certains volcans, comme l’Etna ou le Tungurahua, un conduit semi-permanent permet l’ascension du magma sur les dernières centaines de mètres à quelques kilomètres sous la surface.