Les volcans

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Sources: Enseigner la géologie, collège-lycée, Nathan, 1992; Dictionnaire de géologie, A. Foucault et J.F. Raoult, Masson, 1992; Les volcans, Hélène Le Meur et Claude Jaupart, La recherche, Mars 2000, 64-67; Le dossier de Science et Vie Junior (Dans l'enfer des volcans : les cracheurs de feu ) du mois d'avril 2000 (SVJ n°127) peut être source d'illustrations.

1. Concepts

Qu'est-ce qu'un volcan ?

Volcan vient de Vulcanus, Vulcain, dieu du feu des romains : c'est le lieu où les produits des magmas en fusion atteignent la surface de la planète (terre, lune ou autre corps céleste avec une croûte solide et une graine pouvant présenter une fusion partielle : planètes solides).
Un volcan n'est donc pas toujours un cône; cela peut être une simple fracture dans le sol, par où sortent des produits volcaniques variés (liquides, solides ou gazeux). Les volcans peuvent être situés sur terre, à l'air libre ou sous un lac, ou au fond des mers.
Les typologies morphologiques des cônes volcaniques n'ont que peut d'intérêt pour le concept. La terminologie des différents types d'édifices est inutile à mon avis, même si il est compréhensible que du point de vue de la géographie morphologique on souhaite s'y intéresser (c'est l'environnement humain qui en fait alors l'intérêt).

(Le concept du volcan présenté ainsi est récent et ne date que des années 1960)

Qu'est-ce qu'une roche volcanique ?

Tous les produits du volcanisme ne donnent pas des roches volcaniques : les gaz peuvent brûler, tuer, modifier la composition chimique des eaux d'un lac mais ne peuvent pas donner de roches.

Les roches volcaniques sont des roches issues d'un magma solidifié (refroidi, cristallisé) en surface. Elles font partie des roches magmatiques (issues d'un magma) comme les roches plutoniques.

Que peut-il sortir d'un volcan ? (quels sont les produits du volcanisme ?)

Les produits du volcanisme peuvent être des solides, des liquides ou des gaz :

• Les solides peuvent être des laves plus ou moins visqueuses (coulées, dômes...), des cendres (ne resemblent en rien aux produits de la comlbustion du bois : ce sont des éclats extrêmement fins de roche solidifiée très vite que les géologues appellent verre), des bombes et autres téphras (voir plus bas);
• les liquides sont des laves très fluides (coulées) ou des lahars (boues de cendres et de blocs mêlés à de l'eau),
• les gaz sont de la vapeur d'eau, des gaz sulfureux ou d'autres produits toxiques (la plupart du temps), souvent très chaud (nuées ardentes contenant aussi des cendres portées au rouge).

Pourquoi les produits volcaniques sont-ils différents ?

* D'abord parce que les magmas ont des compositions chimiques différentes et donnent donc des produits différents (plus ou moins visqueux, plus ou moins explosifs, notamment en fonction de la quantité de fluides qu'ils renferment...)
* Ensuite on distingue deux grandes modalités éruptives :

• type effusif qui donne des laves,
• et type explosif : on appelle ces produits les téphras :
  retombées classées selon leur taille (du plus fin au plus gros) en cendres, lapilli, blocs et bombes; plus ou moins vacuolisés (scories et ponces), ignimbrites (du latin ignis = feu et imber = pluie ; qui sont composées de ponces et de petits éclats de verre en forme de flamme), les éruptions phréatiques (violemment explosives et dues à une transformation brutale d'eau souterraine en vapeur), ou encore les lahars ou coulées boueuses formées de blocs et de cendres remaniées par les eaux de pluie ou de fonte de glaciers.

* Enfin parce que les magmas ne viennent pas tous du même endroit et n'ont pas tous le même trajet :

• Les magmas montent. Du fait de leur densité, plus faible que les roches avoisinantes, ce qui est lié notamment à leur température. Plus ils montent plus ils se refroidissent, ce qui augmente leur viscosité, mais plus leur pression diminue, ce qui diminue leur viscosité. Dans les modèles explicatifs actuels la fusion des roches est due principalement à une décompression (expérience a).
• La plupart du temps les magmas n'arrivent pas directement à la surface et stagnent dans des zones fracturées situées entre 10 et 30 km de profondeur que l'on qualifie de chambres magmatiques. Ces "chambres" ne sont pas bien sûr fermées et du magma arrive en permanence par le bas en provenance du manteau et repart, plus modifié (car plus ou moins solidifié et plus ou moins refroidi: c'est la cristallisation fractionnée) vers la surface. Il peut exister des réservoirs superficiels correspondant à des zones très fracturées interconnectées. Pour arriver en surface le magma progresse à la faveur de fractures plus ou moins importantes. La zone où naît le magma est qualifiée plutôt de réservoir profond.
  En fait, on considère que jusqu'à la chambre magmatique (supérieure), c'est bien un problème de densité, de pression et de température. Par contre pour la sortie lors de l'éruption proprement dite on pense que c'est le gaz qui est le moteur principal de l'ascencion du magma: tout commence encore par une décompression (par exemple si du nouveau magma en provenance des profondeurs arrive dans la chambre dont les parois se fracturent et qui augmente de volume; le magma de la chambre subit bien alors une décompression) ce qui provoque le changement de phase des éléments volatils qui passent de la phase liquide à la phase gazeuse (tout comme on peut le voir dans une bouteille de champagne ou d'eau gazeuse lorsqu'on débouche-décompresse la bouteille): les gaz (vapeur d'eau, sulfures, CO2...) se dilatent et propulsent le liquide dans le conduit (cheminée) vers la surface.
• Le caractère plus ou moins explosif d'une éruption (arrivée à la surface des produits magmatiques) dépend de la viscosité du magma (de sa composante liquide, solide et gazeuse), de la fracturation de la roche, de la présence d'eau dans le réseau de fractures (l'eau augmente toujours le caractère explosif de l'éruption), ou encore de la présence d'un bouchon de lave solidifiée dans la partie supérieure du conduit principal témoin des éruptions antérieures.
• Le problème de l'origine des magmas est complexe et ne peut être qu'effleuré:
  pour répondre il est nécessaire de connaître approximativement la structure du globe:
  Les subdivisions actuelles des 800 premiers kilomètres du globe terrestre en profondeur depuis la surface. Pour la courbe complète des vitesse des ondes P et S en fonction de la profondeur voir corrigé du CRPE, sujet de Toulouse 99.
  Les données minéralogiques font maintenant la quasi unanimité chez les géologues, elles ont notamment été obtenues à partir d'expériences avec des cellules à enclumes de diamant (voir La cellule à haute pression à enclumes de diamant, A. Jayaraman, Pour la Science, 80, Juin 1984, 35-46).
  

  Remarque: Pour se "rendre compte" de la pression qui règne à ces profondeurs, on peut essayer d'utiliser des unités équivalentes plus parlantes: 1 kilogrammeforce (kgf) = 9,807 N.m-2 sachant que 1 atm = 1,013.105N.m-2 = 101,3 kPa = 101,3.10-6 GPa ; donc pour un camion de 10 tonnes (10.000 kg) reposant sur une surface de 1m2 on a donc une pression de 10.000 x 9,807 / 1,013.105 atm = 0,97 atm = 0,98.10-6 GPa; si l'on diminue la surface d'un facteur 1000 dans ses deux dimensions (1 mm2) on à alors une pression un million de fois plus grande et donc on atteint presque le GPa. On atteint, dans une cellule à enclume de diamant qui pèse au total moins de 3 kg et, où la surface des pointes en contact tend vers le µm2, une pression de 1,7.10-6 atm = 172 GPa, c'est-à-dire la pression à la limite manteau-noyau (estimée maintenant à 135 GPa).

  une croûte d'une épaisseur de moins de 150 km repose sur un manteau qui referme un noyau (renfermant lui-même une graine). L'intérieur de la terre est solide (sauf le noyau externe qui représente moins de 15% du volume terrestre) avec des taux de fusion inférieurs à 1% en général. La composition chimique du manteau est connue avec une assez bonne certitude: il est formé de péridotite (olivine 80%, pyroxène 15% et 5% d'autres minéraux). La croûte continentale (70 km environ d'épaisseur moyenne mais certaines montagnes s'enracinent plus profondémment et il faut aussi compter les reliefs) est essentiellement formée de gneiss et de micaschistes avec quelques granites et recouverte de roches sédimentaires. La croûte océanique (environ 10 kilomètres d'épaisseur mais elle peut atteindre 50 km) est formée de gabbros (de même composition chimique que le basalte mais, cristallisés en profondeur, les gabbros sont des roches plutoniques) surmontés par des basaltes.

  La plupart des magmas prennent naissance dans le manteau supérieur (70-200 km à comparer avec les 6370 km de rayon terrestre). Le taux de fusion (inférieur à 30%) détermine la quantité d'éléments qui entrent dans la composition du magma (le Mg et le Fe sont moins fusibles que le sodium et le potassium par exemple qui rentrent plus facilement dans la phase liquide): par exemple un magma issu d'un taux de fusion de 5% conduit à des basaltes dits alcalins (les principaux basaltes de la chaîne des Puys par exemple) et un taux de fusion de 30% à un basalte dit tholéitique (composant majeur de la croûte océanique superficielle).

Les volcans actifs ont une répartition précise à la surface du globe. Pourquoi ?

C'est ce que l'on appelle le contexte géodynamique car l'interprétation de la localisation des zones volcaniques se fait dans le cadre d'une théorie générale de la structure et de la dynamique du globe qualifiée de "théorie de la tectonique des plaques" de façon un peu démodée maintenant.

On distingue :

• le volcanisme en distension (ouverture de rifts océaniques ou continentaux; les roches produites sont essentiellement des basaltes),
• le volcanisme associé aux zones de subduction (très particulier dans son chimisme du fait de l'incorporation de sédiments hydratés: les principales roches sont des andésites),
• le volcanisme intraplaque (donnant des roches plus variées) qui correspondrait à des panaches ou points-chauds (remontées du géotherme profond venant peut-être de la limite manteau-noyau) et enfin le volcanisme dit d'anatexie qui résulte de fusion de croûte lors d'un métamorphisme régional poussé.

Remarque: il est certain qu'il existe des types intermédiaires: par exemple l'Etna qui est considéré maintenant comme un volcan de point chaud (alcalin) né il y a 520.000 ans et qui subit maintenant l'influence de la subduction de la mer ionienne à l'est et devient donc de plus en plus riche en gaz (CO2, eau, chlore..;) et en potassium, ce qui sont des caractéristiques d'un magmatisme d'arc insulaire (voir "La double identité du géant sicilien", Fabienne Lemarchand, La Recherche, 347, novembre 2001, 18-19).

Le volcans et l'homme

Ils sont encore craints car parfois meurtriers mais source de bienfaits aussi :

• le danger est peut-être exagéré dans l'opinion publique, les catastrophes sont de l'ordre de quelques unités par siècle et les morts se chiffrent en dizaines de milliers; mais surtout les volcans tuent plus par les famines provoquées ou les raz de marées associés aux éruptions sous-marines (vagues gigantesques ou tsunami connus notamment au japon) que par leurs émissions (laves, nuées ardentes, lahars, gaz volcaniques toxiques),
• la prévision est assez difficile mais le nombre d'observatoires est assez important et les récents exemples d'évacuations des populations ont montré qu'il était souvent possible de prévenir même si les événements n'ont pas toujours confirmé les précisions.
• l'exploitation des roches volcaniques est assez variée: pierre de Volvic (décoration et construction), phonolites (dont les dalles sonores sont utilisées notamment pour des toitures), ponces, scories (de remblai)...., (voir sous-sol)
• le thermalisme (sources hydrothermales minéralisées ou gazeuses) et l'énergie géothermique des zones volcaniques associées souvent à un fort gradient géothermique (plusieurs dizaines de degré par kilomètre) (voir sous-sol)
• les minéralisations hydrothermales associées au volcanisme ont donné des gisements exploitables de Cu, Au, Pb, Zn, U, Mo, Fe, Sn, Ag et S...
• on peut enfin citer la fertilité des sols cinéritiques...
• les grandes éruptions sont certainement capables de modifier le climat de façon mesurable : ainsi on pense que la dernière éruption du Pinatubo aux Philippines en 1991 a fait chuter la température moyenne de 0,5 °C sur l'hémisphère Nord...

2. formulation

La géologie demande beaucoup de travail et on dit facilement des bêtises. Je ne suis pas certain qu'il faille essayer de développer autrement que sous forme d'une approche de type "conférence" les modèles liés à la tectonique des plaques. Il est certain que les approches par projet avec la réalisation de maquettes, d'expériences et de montages divers sont par contre très riches si l'on reste bien conscient que l'on est pas dans le champ expérimental (au sens strict de méthode expérimentale) mais dans le domaine du modèle. Mon côté géologue me fait dire que l'on devrait plutôt leur faire toucher des cailloux, leur montrer sur le terrain des volcans, des plis, des failles, et leur présenter les modèles ensuite. Mais pourtant le travail sur de la confiture, du beurre ou de la pâte à modeler est réellement efficace. Je pense donc qu'il faut faire les deux, de façon indissociable.

cycle 3

Un volcan est le lieu où un magma constitué de roches en fusion provenant de l'intérieur de la terre, arrive à la surface de la terre soit à l'air libre soit sous l'eau d'un lac ou d'un océan. Certains volcans ne sont donc pas du tout spectaculaires et ne sont qu'une simple fracture du sol par laquelle sortent des laves. D'autres volcans forment de superbes cônes par accumulation de laves lors d'éruptions successives Les produits rejetées par un volcan peuvent être solides (laves très visqueuses, cendres, bombes...), liquides (laves très fluides, coulées de boues de cendres...) ou gazeux (gaz le plus souvent toxiques : fumerolles...). Le volcanisme est souvent calme (type effusif) et donne des coulées de lave qui sont plus spectaculaires que dangereuses même si certaines, très fluides, peuvent couler à la vitesse d'un cheval au galop; mais les gaz toxiques qui accompagnent ces éruptions sont par contre très meurtriers. Le volcanisme est parfois explosif (type explosif) et donne lieu à des projections très spectaculaires et dangereuses de cendres (petits éclats de roche) et d'autres produits en fusion mêlés à des gaz brûlants. L'activité volcanique est permanente et discrète au fond des océans et assez rare sur les continents mais souvent spectaculaire et meurtrière (du fait bien évidemment de la présence des hommes). Les volcans ne sont pas répartis au hasard à la surface de la terre. Les zones au volcanisme actif actuellement délimitent avec les séismes des plaques qui nous renseignent sur l'activité à l'intérieur du globe terrestre. L'interprétation scientifique actuelle appelée "tectonique des plaques" est que les grandes plaques constituées de la partie de la couche superficielle du globe appelée "lithosphère" se déplacent les unes par rapport aux autres et que c'est aux frontières entre plaques que se forment la plupart des séismes et volcans. Les roches volcaniques et les zones de volcanisme actif sont aussi source de richesse pour l'homme qui y trouve des matériaux de construction, des minerais ou encore une source d'énergie thermique (chaleur).

3. expériences

Pour que les élèves s'approprient des concepts -pas toujours évidents- de physique des solides (ou des liquides) nécessaires à la compréhension de la géologie, il est certain que l'utilisation (modérée) d'expériences est efficace. Cependant, ces expériences sont interprétées dans le cadre assez fermé du concept étudié : ce qui les fait qualifier d'expériences ou plutôt de modèles "analogiques". A mon avis le terme "d'analogique" est inutile. Il est clair que si l'on utilise de la confiture de framboise pour modéliser de la lave, on est bien en présence d'un modèle. Le concept de volcan que l'on a, qui décrit la réalité telle que les scientifiques la perçoivent actuellement, est présenté, comme de nombreux concepts de géologie, sous la forme de modèle. Le modèle est tout à fait similaire (homologue) à la théorie (ensemble de lois) pour les concepts sur les êtres vivants (voir pages sur la méthode expérimentale).

Remarque:
Je conseille la lecture de l'article de Claude Jaupart dans La Recherche n°330 d'avril 2000 : "Les sciences de la terre en quête d'une méthode" (p 60-65): en voici trois illustrations:

modèle expérimental
(photos extraites et modifiuées de l'article de Christophe Sotin dans le même numéro, p 24-25):
Dans une cuve de 32 cm2 sur 14,8 cm, on superpose deux fluides (eau, sel et cellulose) de densité différente. La cuve est brutalement chauffée par dessous et refroidie par dessus. les images représentent l'aspect de la cuve après 26 min, 32,5 min et 54 min. On observe des dômes qui se développent vers le haut de la cuve puis retombent.

modèle numérique (simulation)

modèle géologique ou naturaliste

Voici une sélection d'expériences que j'emprunte à un collègue de SVT et j'espère que vous pourrez en proposer d'autres... n'étant pas spécialiste, il est probable que mes explications soient parfois un peu inexactes et je suis prêt à corriger.

a - décompression et fusion

Expériences	Concepts abordés - interprétation
Un morceau de beurre placé dans une bouteille en plastique ouverte plongée dans de l'eau chaude fond.	A forte pression la roche (beurre) ne fond pas. Lorsqu'elle est décompressée (zone en distension, par exemple lors de l'écartement de deux plaques lithosphériques) le magma (beurre fondu) apparaît.
Si l'on met le beurre sous pression (on ferme la bouteille par une valve de pompe à vélo, on pompe activement), le beurre ne fond plus même si la bouteille est immergée dans l'eau bien chaude.

b - changement de phase liquide - gaz

Expériences	Concepts abordés - interprétation
Une casserole de lait (le lait écrémé convient aussi) chauffée : on voit les bulles de gaz enrobés de protéines qui font monter (et déborder) le liquide	pour le magma on est plutôt à température constante et c'est la pression qui diminue mais l'effet est le même: les éléments les plus volatils passent de la phase liquide à la phase gazeuse et les bulles poussent le liquide vers le haut : c'est donc ici plutôt le mécanisme de l'éruption proprement dite qui est modélisé. Pour les bouteilles de boisson gazeuse sous pression le gaz est souvent déjà présent sous forme de minuscules bulles : il n'y a pas vraiment de changement de phase mais plutôt la réunion des minuscules bulles en plus grosses bulles ; mécanisme qui se voit même lorsque la bouteille n'est pas débouchée. Le fait de secouer la bouteille confère de l'énergie cinétique aux molécules qui est récupérée lors de la coalescence des bulles.
Une bouteille de Perrier ou de boisson gazeuse est débouchée (on augmente le volume et donc on décompresse) : les bulles apparaissent et le liquide sort en même temps que le gaz. Le fait de secouer la bouteille avant favorise l'apparition des bulles.   (voir par exemple la page sur les carbonates)

Remarque:
Lorsqu'un plongeur respecte les paliers de décompression ou lorsque l'on place un plongeur remonté trop rapidement à la surface dans un caisson hyperbare, c'est toujours le même phénomène : lorsque l'on diminue la pression, l'azote dissous dans le sang à tendance à se dégager et former des poches pouvant causer des embolies gazeuses (dysbarisme ou maladie des caissons). C'est le même danger pour un cosmonaute qui serait placé dans le vide et qui verrait l'eau de son corps se vaporiser.

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