Les bulles conduisent au désastre

"De telles éruptions volcaniques peuvent être gigantesques, et elles transportent énormément de cendres et de soufre à la surface et dans l'atmosphère", explique Andrea Parmigiani, postdoctorant à l'Institut de géochimie et de pétrologie de l'ETH Zurich. "Nous savons certes depuis longtemps que les bulles de gaz jouent un grand r?le dans ce processus, mais nous ne pouvions jusqu'à présent que spéculer sur la manière dont elles s'accumulent dans les chambres magmatiques".

Le chercheur a donc étudié, avec d'autres scientifiques de l'ETH Zurich et du Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), le comportement des bulles à l'aide d'un modèle informatique. Les scientifiques ont effectué des calculs théoriques et des expériences en laboratoire et ont notamment étudié la manière dont les bulles se déplacent vers le haut dans les couches riches et pauvres en cristaux de la chambre magmatique. Dans de nombreux systèmes volcaniques, la chambre magmatique se compose principalement de deux zones : Une couche supérieure, composée d'une masse fondue visqueuse et pauvre en cristaux, et une couche inférieure, riche en cristaux et en pores.

Des super-bulles se faufilent dans un labyrinthe

Au début du projet, Parmigiani ainsi que Christian Huber de Georgia Tech et Olivier Bachmann de l'ETH sont partis du principe que l'ascension des bulles serait fortement ralentie dans les zones riches en cristaux du réservoir de magma. En revanche, dans les zones pauvres en cristaux, les bulles devraient s'élever plus rapidement. "Au lieu de cela, nous avons découvert que les bulles montent plus rapidement dans les zones riches en cristaux lorsque la teneur en substances volatiles est également élevée. En revanche, elles s'accumulent dans les parties de la chambre magmatique situées au-dessus et riches en matière en fusion", explique Parmigiani.

Il l'explique ainsi : si la proportion de bulles augmente dans les pores de la couche riche en cristaux, les petites bulles individuelles fusionnent pour former des canaux en forme de doigts. Ceux-ci prennent de la vitesse et repoussent ainsi la matière en fusion très visqueuse présente dans les pores. Ces canaux en forme de doigts permettent au gaz qu'ils contiennent de s'élever plus rapidement. Pour cela, les bulles doivent toutefois remplir au moins dix à quinze pour cent de l'espace poreux. "Si ces canaux de vapeur ne peuvent pas se former, les bulles individuelles restent mécaniquement prisonnières", explique le chercheur.

Lorsque les canaux en forme de doigts atteignent la limite de la masse fondue pauvre en cristaux, des bulles individuelles sphériques se détachent. Celles-ci continuent certes à monter vers la surface, mais leur vitesse de migration diminue à mesure que le nombre de bulles en train de monter augmente. La raison en est que chaque bulle pousse devant elle une vague de matière en fusion visqueuse et la met de c?té. Si la bulle voisine arrive dans la zone de ce flux de matière en fusion dirigé vers l'arrière, elle est freinée.

Les collègues de Parmigiani, Salah Faroughi et Christian Huber, ont pu démontrer ce processus gr?ce à une expérience de laboratoire à Georgia Tech. Ils ont utilisé pour cela des bulles d'eau qui montent dans une solution de silicone visqueuse.

Les bulles accumulent une forte pression

"Gr?ce à ce mécanisme, de très nombreuses bulles de gaz peuvent s'accumuler dans la masse fondue pauvre en cristaux sous le toit de la chambre magmatique. Cela conduit finalement à une surpression dans la chambre", explique Parmigiani. Et comme les bulles contiennent également du soufre, celui-ci est également enrichi. On peut ainsi expliquer pourquoi un tel volcan émet plus de soufre que ce à quoi on pourrait s'attendre en raison de la composition de la roche.

On ne sait toutefois pas encore ce que cela signifie pour l'explosivité d'un volcan donné. "Cette étude se concentre sur les bases de l'écoulement des gaz dans une chambre magmatique. Une application pratique directe, comme la prédiction du comportement d'un volcan, reste l'objet de recherches futures", explique le chercheur.

Les modèles informatiques ne reproduisent pas toute la chambre magmatique, mais seulement une minuscule partie de celle-ci ; un parallélépipède de quelques centimètres cubes qui présente une limite nette entre la couche pauvre en cristaux et la couche riche en cristaux. Rien que pour calculer ce petit volume, Parmigiani a utilisé des supercalculateurs comme le cluster Euler à l'ETH Zurich et un supercalculateur au Centre suisse de calcul scientifique (CSCS) à Lugano. Le logiciel utilisé par Parmigiani provient de la bibliothèque open source page externePalabos,qu'il continue de développer en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Genève. "Ce logiciel est particulièrement adapté à ce type de simulations", explique le physicien.