Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques On appelle volcanisme l’ensemble des manifestations liées aux volcans Ces deux mots ont pour origine Vulcain, le dieu du feu des Romains Les volcans constituent des lieux de dissipations de l’énergie interne de la terre Comment le volcanisme se manifeste-t-il? Quelles sont ses conséquences? LE VOLCANISME CLIL Prof P.ERNST 1 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme • Les sondes spatiales ont démontré au cours de leurs visites dans le cosmos, au moyen de leurs photos, que les phénomènes volcaniques font parties intégrales de l'évolution des planètes que nous connaissons, que ce soit sur Mars (le plus grand volcan connu) ou sur Io, satellite de Jupiter, doté d’une activité "frénétique" ou encore la matière de la roche lunaire d'origine volcanique. • Il existe de nombreuses formes d'éruptions, de la forme "tranquille" dite effusive, aux formes plus violentes dites explosives. • Nous verrons donc: Quelles sont les causes des phénomènes volcaniques? Sous quelles formes se manifestent-ils? Les édifices volcaniques Les types d'éruptions Les produits des éruptions 2 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme • Il est donc clair que les différentes étapes de l'évolution de la terre, à travers une activité volcanique très intense, a permis de rejeter en surface tous les éléments solides et gazeux qui constituent la croûte terrestre, l'atmosphère et la biosphère. • Pour l'homme, l'activité volcanique est surtout ressentie comme un danger pour les populations, que l'on appelle "risque" volcanique, mais peut devenir une véritable "ressource" comme l'extraction de roches, matériaux de construction ou énergie géothermique. Le magma: • • • Toutes les formes de volcanismes se traduisent toujours par la remontée de roches en fusions, accompagnées de gaz incandescents, qui sont rejetés à l'extérieur où ils se solidifient, ou bien sont dispersés dans l'atmosphère. Ces masses en fusion, appelées magma, ont origine entre 15 et 100 km de profondeur. L'activité volcanique peut débuter à l'improviste, dans quel qu'endroit que ce soit de la surface de la terre pendant une durée très variable (même plusieurs millions d'années), avant de finir à cause de la disparition progressive des conditions qui en avaient provoqué l'apparition. 3 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme • Le processus de réchauffement et de fusion est très progressif, mais à partir de 20% les composants sous forme liquide absorberont les résidus sous forme solide. Le magma aura tendance à remonter vers la surface à cause de sa densité, inférieure à celle des composants solides. • Le magma est un liquide silicaté. Dans sa composition on trouve des minéraux tels l'aluminosilicate de sodium, le potassium, le calcium, l'olivine, le feldspath, l'obsidienne mais on trouve aussi de l'eau. L'eau, à l’état de vapeur joue aussi sur la viscosité du magma : plus il y a d'eau, plus le magma a des chances d'être fluide. • A ce point, commencera une activité volcanique de types variés, qui construira un volcan et donnera des "produits" caractéristiques selon la forme qu'aura prise l'éruption. • Tout ce processus dure depuis des millions d'années et a formé et transformé notre planète. 4 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme Volcan Kilauea à Hawaii Section au travers de la partie externe de la Terre qui met en évidence, d’une manière schématique, un exemple de remontée de magma du manteau, avec production de phénomènes volcaniques en surface. 5 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme Volcan Kilauea (Hawaii) 4.54 6 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques FORMES ET TYPES DE VOLCANS, D'ERUPTIONS ET DE PRODUITS VOLCANIQUES La lave incandescente arrive à la surface accompagnée de gaz et de vapeurs. 7 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques La forme des volcans La forme des volcans • Lorsque le magma atteint la surface de la planète, il se sépare des gaz et de la vapeur d'eau et il prend le nom de lave. Ce sera la lave associée aux produits expulsés par le volcan à former une construction volcanique. • La forme résultante sera fonctions du point de sortie de la roche en fusion. 8 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques La forme des volcans Dans le cas d'une sortie verticale au travers d'un cratère, on parlera de volcan central La cheminée volcanique met en communication la roche en fusion provenant d'une zone d'alimentation jusqu'à 100km de profondeur, et ensuite le magma peut se concentrer dans une chambre magmatique, avant d'être expulsé par le cratère ou une fissure latérale située de 2 à 10 km. 9 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques La forme des volcans Si la sortie se fait le long de fissure latérales, on parlera de volcan linéaire. 10 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques La forme des volcans Il existe généralement 2 types de volcans 11 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques La forme des volcans Les stratovolcans sont formés par une alternance d'émission de lave et de produits pyroclastiques qui sont de petits fragment de roche refroidie rapidement: scorie, cendres, bombes. La forme du volcan est conique. Schéma représentant un stratovolcan (ou volcan composé). Ex: le Mont Fuji - Japon 12 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques La forme des volcans La Soufrière est un stratovolcan de 914 mètres d’altitude, sur l’ île de Montserrat, aux Caraibes. 13 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Schéma d’un volcan-bouclier. La forme des volcans Ex: l’immense volcan Mauna Loa à Hawaii Les volcans-bouclier (Hawaii, Islande) sont une conséquence de l'extrême fluidité et la température élevée de la lave, qui en se répandant parfois loin du point de sortie , peut former des volcans de plus de 100 km de diamètre à la base 14 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Schéma d’un volcan-bouclier. La forme des volcans Ex: l’immense volcan Mauna Lau à Hawaii Le Mauna Lau de Hawaii fait 250 km de diamètre sur 9000 m de hauteur (5000m sous la mer et 4000m en surface). 15 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques La forme des volcans Le Nyiragongo (film complet) 16 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Volcan Eyja (Islande) Les types d’éruption 17 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Les éruptions seront différentes selon la composition et la viscosité du magma qui remonte. La viscosité élevée d'un magma acide donnera une lave de type "rhyolitique", et par contre un magma beaucoup moins visqueux (parfois 10.000 fois moins) donnera une lave de type "basaltique". Le facteur explosif sera géré par la quantité d'eau présente dans la magma. Activité effusive dominante: (magma fluide et faible teneur en eau) éruption de type hawaïen éruption de type islandais Activité effusive fréquente: (magma moins fluide et modeste teneur en eau) éruption de type strombolien Activité mixte (effusive et explosive) (magma visqueux et teneur élevée en gaz et en eau) éruption de type vulcanien éruption de type plinien éruption de type péléen Activité seulement explosive (interaction entre magma et eau) éruption de type hydro-magmatique 18 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Type hawaïen Les éruptions effusives émettent des laves basaltiques, pauvres en silice et donc très fluides qui libèrent les gaz volcaniques facilement. Les éruptions sont relativement calmes produisant seulement de grandes coulées de lave. Ces « volcans rouges » sont ceux des points chauds comme ceux de Hawaii ou du Piton de la Fournaise sur l'île de la Réunion. Les volcans situés sur les dorsales océaniques peuvent également être les auteurs d'éruptions hawaiiennes. Mais des volcans situés sur les zones de subduction peuvent aussi, exceptionnellement, générer des éruptions effusives comme par exemple le Vésuve. Le magma contenu dans la chambre magmatique du célèbre volcan est souvent sujet à des mutations de sa composition chimique et donc les dynamismes éruptifs du Vésuve sont très variés. 19 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Type islandais. 20 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Type strombolien Le type strombolien émet des laves moyennement fluides sous forme de coulées et de téphras comme quelques bombes volcaniques et quelques scories projetés par des explosions fréquentes. Un nuage de cendre peut s'élever à quelques centaines de mètres de hauteur. La dangerosité dépend de la proximité des implantations humaines. Le volcan Stromboli aux îles Eoliennes, comme son nom l'indique, est l'exemple type de ce dynamisme éruptif. On peut citer également le Yasour aux Nouvelles - Hébrides ou le Shishaldin en Alaska. Les éruptions stromboliennes sont des éruptions intermédiaires entre les éruptions effusives et les éruptions explosives. 21 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le Stromboli en éruption 22 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Type vulcanien Le magma contenu dans la chambre magmatique commence à se faire réellement visqueux. Des fontaines et des projections de lave donnent naissance à des coulées qui descendent le long du volcan et peuvent atteindre des constructions. Mais là où le risque pour les vies humaines est le plus élevé c'est au niveau des projections de pierre ponce, cendres et bombes qui peuvent se produire et s'élever à plusieurs kilomètres de hauteur. Le Vulcano aux îles Eoliennes émet souvent des éruptions de ce genre, il est donc l'exemple type. 23 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Type péléen Dans ce type d'éruption, la lave pâteuse ne s'écoule quasiment pas et a tendance à former un dôme de lave. Celui-ci, sous la pression du magma, peut se désagréger ou exploser en produisant des nuées ardentes et des panaches volcaniques. Les nuées ardentes peuvent atteindre des vitesses de 500 km/h. Ces éruptions sont bien souvent meurtrières. La Montagne Pelée en 1902 (28000 morts) à la Martinique, Mont Unzen au Japon en 1991 ou encore la Soufrière Hills sur l'île de Montserrat aux Antilles ont connu des éruptions péléennes. 24 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Type péléen Eruption de la Montagne Pelée 1902 (Martinique – Antilles Française) 25 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Eruption de la Montagne Pelée 1902 (Martinique – Antilles Française) 26 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Type plinien Dans ce type d'éruption, la lave est extrêmement pâteuse car très riche en silice. Les gaz volcaniques ne pouvant se libérer, la pression augmente dans la chambre magmatique et produit des explosions qui pulvérisent la lave et parfois le volcan en projetant des cendres à des dizaines de kilomètres de hauteur. Le panache volcanique retombe en général sous son propre poids et dévaste les flancs du volcan à des kilomètres à la ronde. La présence de nappes phréatiques sur le chemin de la lave augmente le risque explosif et la dangerosité de ces volcans. 27 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Le Vésuve Le dynamisme éruptif qui revient le plus souvent au Vésuve est d'ailleurs le type plinien. La célèbre éruption de l'an 79 qui a détruit Pompéi était de ce genre. On a appelé cela des éruptions "pliniennes" car c'est Pline l'ancien qui a décrit ce dynamisme éruptif pour la première fois justement pour décrire l'éruption du Vésuve de l'an 79. L’éruption n’est toujours pas terminée. 28 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Eruption hydromagmatique Ces éruptions sont phréato-magmatiques car elles mettent en cause de grandes quantités d'eau. L’arrivée du magma vers la couche de roches contenant la nappe phréatique provoquera un brusque passage de l’eau à l’état de vapeur qui donneront d’énorme pressions qui peuvent faire sauter la colonne de roches du niveau supérieur en ouvrant un passage vers l’extérieur. Cette vapeur sortira du cratère avec une extrême violence et entrainera une quantité considérable de lave finement pulvérisée. Au pied de la colonne se formera une «surge ou vague pyroclastique», sorte de vague qui se répand à grande vitesse en entrainant des matériaux de toutes sortes. Les «Colli Albani» et le Vésuve sont des volcans ayant eu une activité hydro-magmatique. Cette colonne peut se former aussi en une éruption plinienne ou vulcanienne. 29 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Eruption hydromagmatique "Sursteysienne" Ces éruptions sont phréato-magmatiques car elles mettent en cause de grandes quantités d'eau. Il s'agit en général d'éruptions sousmarines ou sous-lacustres proches de la surface, en général moins de cent mètres de profondeur, ou sous-glaciaires lorsque la chaleur du magma parvient à faire fondre de grandes quantités de glace. 1 nuage de vapeur d’eau 2 cendres cypressoïdes 3 cratère 4 eau 5 couches de lave et de cendres 6 strates 7 cheminée, 8 chambre magmatique, 9 dike Lors d'une éruption surtseysienne, la surface du volcan se trouve à quelques mètres ou quelques dizaines de mètres sous la surface de l'eau. La pression de l'eau n'est alors plus suffisante pour éviter l'explosion de la lave à son contact. Des explosions « cypressoïdes », en forme de cyprès, se produisent alors, mélangeant lave et téphras refroidis, eau liquide et vapeur d'eau. Une fois que l'île a émergé, l'éruption se prolonge avec un type terrien qui dépend de la composition chimique du magma. 30 Les types d’éruption Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Eruption hydromagmatique "Sursteysienne" Le volcan Surtsey quelques années après le début de son activité. 31 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption La naissance d’une île 32 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types d’éruption Reconstruction schématique des phases d’activité qui accompagnèrent l’éruption de Santorin, au XV siècle A.C. et sa destruction. 33 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les produits des éruptions volcaniques 34 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les produits d’éruption - Les gaz: en majorité vapeur d'eau ( jusqu'à 70%), mais aussi anhydride carbonique(CO2), soufre(S), azote(N), chlore(Cl) et fluor(F). La constitution de l'actuelle atmosphère et l'effet de propulsion du magma dans lequel les gaz sont dissous, sont les effets tangibles de ces gaz. - Les matériaux solides: la lave donne en se refroidissant des roches dites effusives, comme le basalte ou l'andésite. Le pyroclastites (téphras) se forment par agrégation de particules telles que lapilli, cendres, scories, et poussières. Les pyroclastites se forment par agrégation de particules telles que lapilli, cendres, scories, et poussières. Les 2 types peuvent se combiner. A. Cumul de scories; B. Bombe volcanique; C. Pierre ponce de quelques cm. Se forme par refroidissement rapide de la lave. 35 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les produits d’éruption Coulées de lave: A. Lave lisse ou pahoehoe (mot hawaïen): lave très fluide avec formation de croûte et avancée jusqu’à complète solidification B. Lave de type ʻaʻā (mot hawaïen): lave plus visqueuse en coulées à surface chaotique, hérissée de blocs basculés. C. Lave en coussin: refroidissement immédiat lors des éruptions sous-marines 36 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les produits d’éruption Parfois ces émissions de micros particules de lave peuvent constituer de véritable nuages, comme par exemple en 2010, le volcan islandais Eyjafjallajökull a développé un énorme système nuageux qui a interdit la navigation aérienne pendant plusieurs jours sur toute l'Europe. Si on les observe au microscope, les particules de cendres émises durant une éruption, on y remarque de minuscules éclats de verre volcanique (la fameuse obsidienne). Image satellite de la colonne de cendres Rejetées per le volcan Eyiafjallajökull. 37 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les produits d’éruption Une image de la nuée ardente produite durant l’éruption du volcan Pinatubo, aux Philippines, en 1991. 38 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les produits d’éruption Le coulées de boue dites aussi "Lahar", sont dûes surtout à la présence d'eau lors des éruptions, sous forme de neige ou glace fondue, de vapeur d'eau condensée, qui se mêle aux poussières volcaniques de tout type (Sarno 1998). Une coulée de boue à Bacolor(Philippines) dûe au volcan Pinatubo. 39 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les produits d’éruption Le coulées de boue dites aussi "Lahar", sont dûes surtout à la présence d'eau lors des éruptions, sous forme de neige ou glace fondue, de vapeur d'eau condensée, qui se mêle aux poussières volcaniques de tout type (Sarno 1998). Une des coulées de boue qui a touché Sarno en 1998. 40 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les produits d’éruption Les manifestations tardives apparaissent longtemps après la fin de l'éruption. En effet des gaz résiduels peuvent continuer à remonter, accompagnés d'eau thermo-minérales, qui sont utilisées pour leurs vertus thérapeutiques. Parfois cette eau peut sortir sous forme spectaculaire comme dans le cas des geysers. Dans d'autres cas on trouve des fumerolles ou des stagnations d'anhydride carbonique 41 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les produits d’éruption Emissions de gaz du cratère d’un volcan. I gaz volcaniques (CO2) remonte jusqu’au lac de cratère. Il s’accumule à la surface et ensuite redescend le long des parois du volcan 42 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types de volcanisme 43 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types de volcanisme Volcanisme effusif des dorsales océaniques et des points chauds Les dorsales océaniques sont des secteurs du fond des océans surélevés de 2-3000 m par rapport au fond, sur environ 1000 km de large et sur une longueur totale de plus de 60000 km. Ce ne sont pas des montagnes sous-marines, mais ce sont des plissement du fond de l'océan qui provoque à leur sommet des fissures desquelles sort le magma. Ce sont donc des éruptions linéaire de type islandais sur le fond des océans. Si le magma, de nature basaltique se trouve en profondeur, la sortie de la lave sera calme et donnera une structure typique à coussins. Si par contre la profondeur est moins importante, l'éruption sera accompagnée d'expulsions gazeuses, qui formeront des colonnes blanches, et même dans certains cas, la lave émergera de la mer et formera une ile nouvelle: en 1963 est née ainsi l'ile de Surtsey, au large de l'Islande. Hawaii est cependant le meilleur exemple de volcanisme effusif qui est associé à un point chaud. Ce sont des zone restreinte de la surface terrestre, d'environ 100 à 200 km caractérisée par un volcanisme actif depuis des millions d'années et ce au fond des mers comme en surface. 44 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types de volcanisme Volcanisme explosif: C'est la pression exercée par les gaz dissous dans le magma qui, au fur et à mesure de leur remontée, augmente et lorsque la résistance des roches est inférieure à la pression, les gaz incandescent s'échappent par la cheminée. Ils entrainent avec eux d'énorme quantité de lave qui se transforme en poussière ou lapilli, et forme les nuées ardentes qui sortent violemment du cratère à plus de 300 degrés. Les particules sortent du cratère à plus de 400km/h, et montent sur plusieurs milliers de mètres. Ensuite les particules dans l'air commencent à retomber(poussières, cendres et lapilli) en partie sur le volcan en formant des coulées pyroclastiques sur plusieurs km, en partie restent dans l'atmosphère, en provocant des conséquences sur la vie terrestre parfois catastrophique: éruption du Tambora (Java) en 1815 a donné l'année sans été en 1816. 45 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types de volcanisme Les grandes étendues de lave liées à l’activité des points chauds. 46 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types de volcanisme Distribution géographique des volcans: Les 600 volcans actifs du monde entier se trouvent en grande partie le long des dorsales océaniques. On distingue 3 zone principales: - volcans linéaires le long des dorsales océaniques - volcans centraux en marge des continents ou des chaînes d'îles - volcans centraux ou linéaires dans les zones isolées (point chauds) Le type de volcanisme le plus fréquent se trouvent au fond des océans où une énorme quantité de lave basaltique. Donc en général, il s'agit de phénomènes effusifs sous-marins, qui cependant émergent sur 500 km en Islande à cause de la présence d'un point chaud. Les plus grands volcans de la terre sont de type explosif et se trouvent en marge des océans, souvent sur les archipels d'îles, qui sont en correspondance de profondes dépressions océaniques appelées fosses abyssales (plus de 11.000m) et surtout dans l'Océan Pacifique. Hawaii est un des centres volcaniques océaniques les plus étendus et la Rift Valley en Afrique de l'Est est le centre continental le plus spectaculaire avec par exemple le Nyiragongo au Congo. En Europe, le plus grand et le plus actif est l'Etna, en Sicile. 47 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types de volcanisme Distribution géografique des quasi 600 volcans actifs émergés (le nom de certains d’entr’eux est reporté) et de l’activité lineaire sousmarine. 48 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types de volcanisme Ce stratovolcan est vieux de 600.000 ans et a été d'abord un volcan sous-marin, puis au fur et à mesure des éruptions, a émergé jusqu'à être le volcan que l'on connait aujourd'hui. Etapes de l’évolution de l’Etna (le «lieu ardent»). Il y a 600.000 ans: effusion de laves sous-marines. Il y a 120.000 ans: retrait de la mer et volcan-bouclier. Depuis 35.000 ans: stratovolcan 49 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Les types de volcanisme Panorama sur la Vallée du Bove, sur les pentes de l’Etna. 50 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme et l’homme Les volcans et l'homme La prévention est parfois efficace, mais très souvent les évènements sont presque imprévisibles. Le problème majeur reste l'organisation de l'évacuation des populations. Les scientifiques n'ont pas toujours l'écoute des autorités locales il est arrivé que des éruptions prévisibles ont tout de même provoqué des victimes parmi les populations. Cependant il a été tenté par le passé ( Etna 1983) de détourner les coulées pour protéger les zones habitées. Le volcanologue est aujourd'hui capable de faire certaines prévisions précises, en ce qui concerne la dynamique de l'écoulement des produits, de la lave, des coulées de boues. En outre les volcans sont classifiés par ordre d'imminence d'un danger éruptif, grâce aux enregistrements permanent des séismographes, des sondes pour l'analyse de la composition et de la température des gaz. Lorsqu'un volcan répond à certains paramètres, une alarme est déclenchée. Le challenge est aujourd'hui de surveiller tous les volcans actifs, mais surtout les inactifs. Les volcans ont néanmoins des côtés positifs, sur le point de vue de l'enrichissement permanent des terrains agricoles grâce à l'apport fréquents d'éléments chimiques et sur l'exploitation de la géothermie. 51 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme et l’homme Reconstruction du raz-de-marée (tsunami) produit par l’écroulement qui est à l’origine de la «Sciara del Fuoco» sur l’ile de Stromboli. 52 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme et l’homme Certains des évènements dangereux durant l’activité d’un volcan. 53 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme et l’homme Volcans présents dans la zone tyrrhénienne, en mer (sousmarins ou partiellement émergés comme ile) et le long des côtes. 54 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme et l’homme Les zones qui peuvent être recouverte de cendres pyroclastiques à la suite d’une éventuelle éruption plinienne du Vésuve. 55 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme et l’homme Une phase de l’opération de déviation de la coulée de lave de l’Etna, qui, en 1983, menaçait les villages de Nicolosi et de Belpasso. 56 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Le volcanisme et l’homme Monitorage du Stromboli avec des images thermiques. On voit l’évolution de l’éruption de la nuit du 01/08/2011 entre 20.56 et 05.20 au moyen du contrôle des température de la lave. Le blanc est le plus chaud. Sur la troisième image on voit la fontaine de lave. Sur la dernière image on voit la coulée de lave. 57 Chapître 3 – Les phénomènes volcaniques Trekking au Guatemala 58