Volcanologie

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La volcanologie ou vulcanologie est la science qui étudie les phénomènes volcaniques, leurs produits et leurs mises en place : volcans, geysers, fumerolles, éruptions volcaniques, magmas, laves, tephras, etc.

Un volcanologue ou vulcanologue est le scientifique spécialiste de cette discipline liée à la géophysique, à la sismologie et à la géologie dont elle est une spécialité.

Les objectifs de cette science sont de comprendre l'origine et le fonctionnement des volcans et des phénomènes assimilés afin d'établir un diagnostic (pour une période déterminée) sur les risques et les dangers encourus par les populations et les activités humaines. Les études et les recherches se déroulent dans un premier temps sur le terrain afin de procéder à des collectes d'informations sous la forme d'observations, de mesures et d'échantillonnages et dans un second temps en laboratoire afin d'analyser et d'interpréter les données et les échantillons.

Sommaire

1 Histoire de la volcanologie
2 Instruments de mesures et observations
3 Analyses et interprétations
4 Pétrographie et minéralogie
5 Risque volcanique et prévention
6 Volcans de la Décennie
7 Volcanologues célèbres
8 Voir aussi
- 8.1 Articles connexes
- 8.2 Liens externes
9 Sources
10 Références

[modifier] Histoire de la volcanologie

La volcanologie, en tant que description d'un phénomène volcanique, est née au Néolithique avec l'exécution d'une peinture murale d'un volcan en éruption à deux sommets, probablement le Mont Hasan, à Çatal Hüyük (Turquie) et datant de 6000 av. J.-C.

Dans les premières civilisations, notamment chez les grecs et les romains, les volcans et leurs éruptions sont associés à des manifestations divines. Il en sera de même dans le christianisme qui les considère comme l'œuvre de Satan et les signes de la colère divine.

Au V^e siècle av. J.-C., le philosophe grec Empédocle d'Agrigente divise le monde en quatre éléments fondamentaux : l'air, l'eau, la terre et le feu, le dernier étant représenté par les volcans.

Platon affirmait que des fleuves d'eau chaude et froide parcouraient l'intérieur de la Terre et qu'un vaste fleuve de feu central, le Pyriphlégéthon, alimentait tous les volcans de la Terre. Aristote expliquait la présence de ce feu souterrain comme « ...le frottement du vent quand il s'engouffre dans des passages étroits. » Lucrèce, un philosophe romain, clamait lui que l'Etna était totalement creux et que ses feux étaient alimentés par un vent puissant circulant près du niveau de la mer. Ovide pensait que les éruptions étaient alimentées par de la « nourriture riche » et qu'elles cessaient lorsque celle-ci venait à manquer. Vitruve affirmait que les feux souterrains étaient entretenus par du soufre, de l'alun et du bitume. L'idée d'un rôle prépondérant du vent comme source des éruptions volcaniques perdurera jusqu'au XVI^e siècle.

Pline l'ancien

Théorie du feu central selon Athanasius Kircher, 1678

Éruption du Vésuve, Johan Christian Claussen Dahl, 1826

Dessins d'une coupe au niveau d'un volcan, Principles of Geology, Charles Lyell, 1857

Haroun Tazieff

En 79, Pline l'Ancien relate et décrit le début de l'éruption du Vésuve, remarquant notamment que des séismes précède le début d'une éruption. Voulant se rendre au plus près des évènements, il est tué par une des nombreuses nuées ardentes qui dévala les flancs du volcan et détruisit Pompéi. Son neveu, Pline le Jeune, n'ayant pu accompagner son oncle, fait une description précise de l'éruption dont le type portera le nom des deux hommes : éruption plinienne. Cependant, cette description ne constitue pas une tentative d'explication scientifique du phénomène.

À la Renaissance, de nombreuses théories voient le jour mais elles doivent être compatibles avec les dogmes de l'Église catholique sous peine d'être discréditées.

Georgius Agricola propose que les éruptions sont provoquées par de la vapeur d'eau sous pression. Johannes Kepler considère les volcans comme des conduits rejetant les larmes et les déchets de la Terre (le soufre, le bitume et le goudron).

Descartes, en s'accordant avec la Genèse, déclare que la Terre est formée de trois couches : une couche d'air et une couche d'eau supportées par des profondeurs ardentes. Les volcans se seraient alors formés lorsque les rayons du Soleil ont percé la Terre.

De nombreuses théories mettaient en œuvre l'eau dans le volcanisme car les seuls volcans connus à l'époque se situaient à proximité de la mer.

Au XVIII^e siècle, le naturaliste et ambassadeur britannique William Hamilton profita de son séjour à Naples pendant 36 ans pour se documenter et étudier les éruptions du Vésuve. Ses observations sont considérées comme la première démarche scientifique d'explication du volcanisme. Il publie un livre, « Campi Phlaegraei, Observations on the Volcanos of the Two Sicilies », composé de nombreuses notes et croquis de ses observations de terrain.

Quelques années plus tard, l'italien Lazzaro Spallanzani fait des tentatives de faire fondre des morceaux de basalte pour trouver l'origine de la lave.

Au XVIII^e siècle, deux écoles s'affrontent : les neptunistes pensent que le contact de l'eau sur la pyrite enflamme des couches de charbon qui font fondre les roches environnantes alors que les plutonistes affirme qu'il existe une masse de roche en fusion dans les profondeurs de la Terre et qui ressort à certains endroits.

En 1831, le français Constant Prévost, de retour de l'île italienne de Julia, rapporte les preuves de la formation des volcans : ils naissent d'un empilement successif de matériaux. Cette découverte met fin à l'affrontement entre deux théories : l'une affirmait que les volcans se formaient par couches successives, l'autre qu'ils n'étaient qu'un gonflement du sol.

À l'époque, le Vésuve est le volcan le plus étudié. D'autres explorateurs commencent à étudier différents volcans : Bory de Saint-Vincent au Piton de la Fournaise en 1804, Alexandre de Humboldt au Guagua Pichincha et au Chimborazo entre 1799 et 1804 et recense 407 volcans en 1846, le Santorin est étudié par plusieurs géologues.

Du fait de l'activité régulière du Vésuve, un observatoire est construit sur ses pentes en 1841 et des sismographes y sont installés.

En 1883, l'éruption du Krakatoa concentre tous les efforts des volcanologues sur ce volcan. L'éruption est analysée ainsi que ses effets : onde de choc, effets climatiques, etc. Les avancées effectuées permirent aux géologues de revenir sur l'éruption du Tambora qui se produisit en 1815.

En 1902, l'éruption de la Montagne Pelée de la Martinique, la destruction totale de la ville de Saint-Pierre et les 28 000 morts provoque la stupeur en métropole. La catastrophe sera relayée dans les journaux avec de nombreuses photographies. Alfred Lacroix sera mandaté par l'Académie des sciences pour comprendre les raisons de la catastrophe, notamment la croissance du dôme de lave qui s'est effondré. Deux ans plus tard, il publiera un ouvrage qui fait encore référence et participera à la création d'un observatoire.

En 1912, Alfred Wegener propose la théorie de la tectonique des plaques pour expliquer la dérive des continents et le volcanisme. Bien qu'imparfaite et en partie fausse, sa théorie révolutionne la perception qu'ont les géologues et les volcanologues du volcanisme car elle permet d'unifier la majorité des phénomènes géophysiques. Elle fut complétée dans les années 1960 notamment avec l'introduction de la notion de radioactivité dans l'origine de la chaleur interne de la Terre et la découverte des anomalies magnétiques dans les fonds marins. Les géologues constatent, prouvent et admettent alors que chaînes de montagnes, volcans et sismicité se répartissent de manière précise à la surface de la Terre et sont corrélés^[1].

Les progrès en sismologie profitent également à la volcanologie avec la mise en évidence des plans de Benioff, des différentes discontinuités, de la structure interne du globe, etc. La tectonique des plaques propose aux volcanologues une vision globale des phénomènes internes à la Terre avec la dérive des continents, la subduction et la divergence, les courants de convection du manteau, etc. Seuls restent certains volcans qui ne peuvent coller avec cette théorie. Les volcanologues mettent alors au point la théorie des points chauds pour expliquer la présence de volcans au milieu des plaques lithosphériques.

Durant le XX^e siècle, Haroun Tazieff explore les volcans du monde entier et s'intéresse en particulier à l'Etna. Il améliorera de nombreux instruments de mesure qui sont encore utilisés aujourd'hui et participera à l'élaboration et la mise en place de plans d'évaluation des risques volcaniques et d'évacuation des populations.

Katia et Maurice Krafft rapportent quand à eux de nombreuses photographies, films et extraits sonores de plus de 150 volcans et publient de nombreux livres qui contribuent à la popularisation de la volcanologie et des volcans. Ils participèrent aussi à l'élaboration de plans d'évaluation des risques volcaniques.

Les volcanologues, aidés par les progrès en métrologie, vont alors procéder à un recensement des volcans et à l'élaboration d'une classification selon le type éruptif : hawaïen, strombolien, vulcanien, peléen, plinien et surtseyen. Ils ferons également le lien entre geysers, fumerolles, solfatares, etc. et volcans et expliquerons leurs fonctionnements. Différentes formations géologiques seront également expliquées par le volcanisme et leur mise en place fera l'objet de nombreuses recherches : dykes, necks, coulées de lave, ignimbrite, pouzzolane, guyots, atolls, etc.

[modifier] Instruments de mesures et observations

Divers instruments de mesure ont été élaborés ou empruntés à d'autres disciplines afin d'obtenir des données fiables sur le fonctionnement des volcans et notamment la prédiction des éruptions volcaniques. L'évènement déclenchant une éruption volcanique est l'arrivée de magma dans la chambre magmatique qui va provoquer sa mise sous pression. Cette mise sous pression s'accompagne d'un gonflement du volcan dù à la dilatation des roches et la poussée du magma sur les parois. Ce gonflement du volcan va générer des microséismes, une augmentation de l'inclinaison des pentes du volcan, une augmentation du diamètre du cratère ou de la caldeira sommitale. L'arrivée du magma dans la chambre magmatique va provoquer quant à lui le dégazage du réservoir et va pouvoir être repéré comme une anomalie thermique à l'aide d'un thermomètre à infrarouge ou d'un pyromètre.

Les sismographes permettent aux volcanologues de détecter les microséismes provoqués par la mise sous pression de la chambre magmatique. Les sismographes peuvent également détecter le trémor : juste avant une éruption volcanique, la remontée du magma dans la cheminée volcanique génère une vibration continue et faible du volcan. Ce trémor constitue ainsi un outil fiable permettant d'annoncer l'imminence d'une éruption.

L'inclinomètre ou l'accéléromètre mesurent quand à eux les variations de pente du volcan jusqu'à une précision de un par million. Ils sont placés à différents endroits sur les pentes du volcan lors d'une phase de repos. La mise sous pression de la chambre magmatique provoque un gonflement du volcan qui voit l'inclinaison de ses pentes s'accentuer. A la suite de l'éruption volcanique, la pression dans la chambre magmatique baisse ce qui diminue l'inclinaison des pentes du volcans. Ainsi le volcanologue peut prévoir le début et la fin prochaine d'une éruption lorsque les inclinomètres indiquent une variation de la pente du volcan.

L'altimètre joue un rôle de complément à l'inclinomètre. Placé également sur les pentes du volcan, il va indiquer les augmentations et les diminutions d'altitude au fil des gonflements et des dégonflements du volcan.

L'interféromètre permet de mesurer la distance entre deux points grâce à un laser. L'appareil de mesure et le réflecteur étant placés de part et d'autre d'un cratère ou d'une caldeira, ils permettent d'indiquer une augmentation ou une diminution de la taille du cratère ou de la caldeira, signe que le volcan se gonfle ou se dégonfle selon la pression dans la chambre magmatique.

L'échantillonnage permet de déterminer le type et le passé éruptif du volcan selon la nature, la proportion et la composition des laves, des tephras et des gaz. La reprise de l'émission de gaz par un volcan ou les variations dans leurs compositions peut constituer un indice déterminant dans l'imminence et les caractéristiques (type éruptif, puissance, etc) d'une éruption. Les volcanologues procèdent aussi à des relevés de température des gaz et de la lave en fusion grâce à un pyromètre.

Lors d'une éruption volcanique, les volcanologues sur place peuvent procéder à différentes mesures, observations et échantillonages : prélèvements de lave liquide, de gaz, de tephras, observation du déroulement de l'éruption (hauteur du panache volcanique, nombre et puissance des explosions, des fontaines de lave, vitesse et température des coulées de lave, etc),...

Le volcanologue effectue également des mesures topographiques à l'aide de théodolites et géologiques (prélèvements de roche) dans le but de dresser une carte et un historique des risques volcaniques aux alentours du volcan.

[modifier] Analyses et interprétations

Les analyses se font en général dans l'observatoire du volcan étudié lorsqu'il en possède un.

Les mesures effectuées à l'aide des instruments sont décryptées, comparées avec le passé du volcan et entre les volcans, etc tandis que les échantillons subissent une série de mesures et d'analyses chimiques, cristallographiques, physiques, géochimiques,...

La synthèse des résultats et leur recoupement permet ainsi de réaliser des diagrammes, des cartographies, etc permettant d'établir un historique du volcan et d'évaluer le risque éruptif pour une période plus ou moins longue.

Lors de la prévision d'une éruption, les volcanologues s'aident des différentes mesures effectuées. Si un ou plus des facteurs du volcan varie (composition des gaz, pente du volcan, sismicité, etc), c'est peut-être le signe qu'une éruption se prépare.

[modifier] Pétrographie et minéralogie

Deux grands types de roches volcaniques constituent 95% des laves et tephras émis par les volcans : les basaltes et les andésites.

Ces deux roches sont en majorité formées de cristaux de silice, de feldspaths et de pyroxène mêlés à un verre volcanique qui n'a pas eu le temps de cristalliser complètement à cause de la remontée et du refroidissement brutal du magma. L'obsidienne par exemple n'est formée que d'un verre volcanique. Le basalte, issu du magmatisme de point chaud et de dorsale, résulte de la fusion partielle du manteau par décompression au niveau des dorsales. L'origine du magma provenant des points chauds est encore sujette à débat. C'est une lave fluide car elle est relativement pauvre en gaz et en silice (environ 45%). L'andésite, issue du magmatisme de subduction, résulte quant à elle de la fusion partielle du manteau par hydratation au niveau des fosses de subduction. Les andésites sont plus pâteuses car elles sont plus riches en gaz et en silice (environ 55%). La viscosité d'un magma est dépendante de sa teneur en silice car c'est ce minéral qui détermine le nombre de liaisons possibles avec l'oxygène : plus un magma contient de silice, plus il est visqueux et plus l'éruption volcanique aura une tendance explosive^[2].

La carbonatite est une lave très rare composée en majorité de carbonate de calcium (calcite), de carbonate de magnésium (dolomite), de carbonate de fer et de magnésium (sidéro-magnésite) ou de carbonate de sodium. Très fluide, ne comportant que très peu de silice (moins de 1%), de température peu élevée (500 à 550°C), elle est noire lorsqu'elle est émise mais blanchi au contact de l'air une fois refroidie (quelques heures) car ses minéraux réagissent avec l'humidité ambiante. Seul l'Ol Doinyo Lengaï émet des carbonatites actuellement^[3].

Voir l’article Roche volcanique.

[modifier] Risque volcanique et prévention

Carte des risques volcaniques du Mont Saint-Helens au 1^er avril 1980

L'importance de l'énergie libérée lors d'une éruption volcanique fait que l'homme ne peut empêcher son arrivée et il ne peut lutter directement contre ses effets. Le seul recours est la prévision des éruptions ainsi que l'information et la sensibilisation des populations afin de rendre leur évacuation la plus efficace possible.

A l'aide des résultats des analyses et des interprétations des données, les volcanologues peuvent établir une prévision de la prochaine éruption dans certains cas et un zonage des différents risques volcaniques pour ainsi effectuer une cartographie des zones concernées par ces risques. De manière préventive, ils peuvent alors préconiser l'évacuation de population aux autorités avant une éruption ou lors d'une éruption lorsque le risque s'aggrave. Des systèmes d'alerte et d'évacuation peuvent être mis en place comme des signaux sonores d'alerte, des itinéraires spéciaux d'évacuation, le déploiement des forces de l'ordre, la construction d'abris, la mise en place de mesures de protection (port du casque, de masques à poussière, etc),...

[modifier] Volcans de la Décennie

Les années 1990 ont été déclarées « Décennie internationale pour la réduction des catastrophes naturelles » par les Nations-Unies. L'IAVCEI (pour International Association of Volcanology and Chemistry of the Earth's Interior littéralement Association internationale de la volcanologie et de la chimie de l'intérieur de la Terre) a alors décidé de dresser une liste de volcans actifs ou récemment actifs et susceptibles, suivant leur passé éruptif et leur proximité avec des zones peuplées, de produire de grandes catastrophes volcaniques. Le but de cette liste composée de seize volcans (« Decade volcanoes » en anglais) est de promouvoir leur étude et la sensibilisation des populations à leur sujet afin de prévenir tout risque humain.

Les seize volcans sont :

L'attention accrue portée sur ces volcans a notamment permis quelques succès :

déviation d'une coulée de lave sur l'Etna en 1992 évitant ainsi la destruction d'habitations ;
meilleure compréhension de l'histoire du Galeras ;
meilleure compréhension de l'implication de l'eau dans les éruptions du Taal ;
adaptation de la législation dans le cas de nouvelles construction aux abords du Mont Rainier ;
réduction de la densification des habitations dans la caldeira du Taal ;
élaboration d'un plan d'évacuation de l'agglomération de Naples.

Mais les scientifiques et les autorités ont aussi rencontré d'importants problèmes :

l'échec de la gestion de l'éruption du Mont Unzen avec la mort de 43 personnes dont trois volcanologues en 1991 ;
la mort de six volcanologues et de trois touristes dans le cratère du Galeras au cours d'une éruption non prévue en 1993. Les volcanologues, qui n'avait pas prévu l'excursion sur le volcan, participaient à un colloque de volcanologie dans la ville de Pasto ;
l'impossibilité d'approcher le Santa Maria à cause de la guerre civile au Guatemala jusqu'en 1996, date de la signature d'un cessez-le-feu ;
le débordement du génocide du Rwanda au Zaïre et la destabilisation du régime de Mobutu Sese Seko avec la première et la seconde guerre du Congo, empêchant d'approcher le Nyiragongo à partir de 1996 ;
les crédits limités accordés à ces études.