Les chambres magmatiques ont une structure d'éponge

Les supervolcans sont à tous points de vue - super. L'éruption du volcan Toba, il y a environ 74'000 ans dans l'actuelle Indonésie, a été si violente que le climat s'est refroidi dans le monde entier et a peut-être fortement décimé l'humanité. Lors de la première des trois éruptions du supervolcan de Yellowstone aux ?tats-Unis, il y a environ 2,1 millions d'années, un cratère de 50 kilomètres sur 80 s'est formé. Environ 2800 kilomètres cubes de matériaux ont été éjectés, soit 10 à 20 fois plus que lors de l'éruption du Tambora en Indonésie en 1815. Et cette éruption, considérée comme la plus importante de ces derniers temps, a eu des conséquences sensibles dans le monde entier.

Mais aujourd'hui encore, les supervolcans restent une énigme pour la recherche, car ils sont difficiles à étudier. Ainsi, les scientifiques s'accordent à dire qu'il doit exister dans la cro?te terrestre, à quelques kilomètres de profondeur, une chambre magmatique dont le matériau s'échappe lors d'une éruption. Les experts ne sont pas d'accord sur la forme et la consistance d'un tel réservoir.

Piscine vs. bloc solidifié

Ainsi, certains géologues estiment qu'un gigantesque réservoir de magma liquide se trouve sous la caldeira, comme on appelle également les cratères des supervolcans, niché dans la cro?te terrestre supérieure. Le manteau terrestre alimente ce réservoir en matière et en chaleur, et un tel supervolcan peut entrer en éruption de manière explosive à tout moment.

D'autres considèrent qu'il est plus plausible que la chambre magmatique soit complètement refroidie et figée et qu'elle ne soit liquéfiée que par un afflux massif de chaleur provenant du manteau terrestre. Ce n'est qu'à ce moment-là qu'une éruption peut se produire.

"Les deux ne sont sans doute pas corrects", affirme désormais Olivier Bachmann, professeur de volcanologie à l'ETH Zurich. Lui et son groupe montrent dans deux publications parues dans la revue spécialisée "Nature Geoscience" que la vérité se situe probablement quelque part entre ces deux extrêmes.

La vérité au milieu ?

"La chambre magmatique d'un supervolcan ne correspond pas à une soupe bouillante qui peut déborder à tout moment et au moindre prétexte", poursuit Bachmann. Il ne faut pas non plus partir d'un corps magmatique refroidi et complètement solidifié, car il faudrait un énorme apport de chaleur en très peu de temps pour réactiver un tel corps. En outre, lors du refroidissement et de la solidification, des substances volatiles comme l'eau et le CO₂ s'échappent de l'organisme. Ces substances sont toutefois nécessaires à une éruption, car elles créent la pression correspondante dans la chambre magmatique.

Comme le montrent les recherches du doctorant de Bachmann, Dawid Szymanowski, à partir de l'exemple de l'éruption du supervolcan Kneeling Nun Tuff au Nouveau-Mexique, la chambre magmatique d'un supervolcan est un mélange de magma cristallin, c'est-à-dire devenu solide, et de roche liquide en fusion. Plus de 40 à 50 pour cent du réservoir se trouve sous forme cristalline. Selon les chercheurs de l'ETH, la chambre devrait avoir une structure spongieuse et présenter une structure réticulée de roche cristallisée, dans les pores de laquelle se trouve de la matière en fusion - de la bouillie cristalline, comme l'appelle Szymanowski.

Des minéraux rares comme enregistreurs de données

Cette bouillie devrait rester très longtemps dans la chambre magmatique avant d'être éjectée à la surface. C'est ce que Szymanowski déduit de l'analyse du zircon et de la titanite, deux minéraux à l'état de traces présents dans le magma. Le zircon est le matériau cristallin des plus anciens échantillons de roches connus sur Terre. Certains cristaux trouvés en Australie sont ?gés d'environ 4,4 milliards d'années.

Les cristaux de zircon et de titanite mémorisent d'une part le moment où ils se sont formés et d'autre part la température qui régnait lors de leur formation, car l'intégration d'éléments chimiques dans le réseau cristallin dépend de cette température. Après la formation des cristaux, la composition chimique de ces minéraux dans une chambre magmatique ne change pratiquement plus, même si les conditions dans la chambre magmatique changent de manière significative.

En analysant en laboratoire l'?ge et la composition chimique de zircons et de titanites provenant de différentes roches, les chercheurs obtiennent des informations sur l'évolution de la température d'une chambre magmatique au fil du temps. Lors d'une éruption, ces deux minéraux remontent à la surface, où ils peuvent être trouvés dans les couches rocheuses correspondantes.

Sur la base de ces études, les volcanologues de l'ETH ont conclu que la température dans la chambre magmatique qui alimentait l'éruption de Kneeling Nun Tuff avait d? se situer entre 680 et 730 degrés pendant un demi-million d'années. Les minéraux ont montré aux chercheurs que le supervolcan a mis très longtemps à se "charger" complètement et à entrer en éruption.

Un modèle informatique soutient les analyses minérales

Les analyses de minéraux étayent également un modèle informatique créé par Ozge Karakas, une post-doctorante du groupe de Bachmann. Ce modèle a également été publié en juin dans la revue spécialisée "Nature Geoscience". Il décrit un système de chambre magmatique dans la cro?te supérieure de la Terre, qui communique avec d'autres chambres dans la cro?te inférieure.

Le magma chaud et primitif se forme dans le manteau terrestre. Lors de sa formation, il est chaud à environ 1200 degrés et remonte dans la cro?te terrestre supérieure par des fissures et des cheminées. Là, il forme un réservoir qui se refroidit et se cristallise partiellement, mais peut survivre des centaines de milliers d'années sous forme de bouillie cristalline.

A l'aide de ce modèle, les scientifiques ont pu montrer qu'il n'est pas nécessaire d'extraire en peu de temps des quantités gigantesques de matériaux du manteau pour former un réservoir durable dans la cro?te supérieure. "Les conditions dans la cro?te supérieure ne se prêtent pas à l'absorption et au stockage d'une telle quantité de matériaux en très peu de temps", explique Karakas. Cependant, il faut un lien avec le magma dans la couche inférieure pour assurer le transport de la chaleur. Jusqu'à présent, les chercheurs n'ont pas intégré la cro?te inférieure dans leurs réflexions, souligne la géologue. "Mais sans elle, il n'y a pas de supervolcans".

?vénements très rares

Le modèle et l'analyse des minéraux vont donc tous deux dans le sens d'une formation et d'une maturation des supervolcans sur une très longue période et d'une éruption uniquement à des dizaines de milliers d'années d'intervalle. "Le magma est principalement conservé sous la forme d'une structure d'éponge cristalline. Et il doit en tout cas être réactivé par un apport de chaleur avant de pouvoir entrer en éruption", résume Olivier Bachmann.

Les nouvelles connaissances ne permettent pas de prédire la date de la prochaine éruption d'un supervolcan. Le système est encore trop peu compris pour cela. Mais la manière dont ces gigantesques réservoirs de magma se développent et se réactivent est désormais plus claire. Ces connaissances pourraient à l'avenir aider à mieux évaluer les signes de réactivation d'un tel système volcanique.

Les supervolcans ne sont toutefois pas aussi explosifs qu'on le dit parfois. "L'éruption d'un supervolcan est - heureusement pour nous - dans tous les cas un événement très rare", déclare Bachmann.