Les chercheurs de l'ETH montrent que les chambres magmatiques sous les supervolcans ressemblent davantage à des éponges détrempées qu'à des réservoirs de roche en fusion. Avant qu'un volcan de ce genre n'éclate, une telle bouillie doit être lentement réactivée par l'apport de chaleur suite à une recharge de magma profond finalement dérivé du manteau terrestre.

Les supervolcans sont superlatifs à tous égards. L'éruption de la caldeira de Toba dans l'Indonésie d'aujourd'hui environ 74, il y a 000 ans était si puissant qu'il a conduit à une période de refroidissement global et, peut-être, une chute drastique de la population de l'humanité. Il y a environ 2,1 millions d'années, la première des trois éruptions du supervolcan de Yellowstone aux États-Unis a formé un cratère d'une superficie de 50 x 80 kilomètres. Environ 2, 800 kilomètres cubes de matériaux ont été éjectés dans le processus - environ 10 à 20 fois plus que lors de l'éruption du mont Tambora en 1815 en Indonésie. Même cette éruption relativement petite, considéré comme le plus grand ces derniers temps, produit des effets qui pourraient être ressentis dans le monde entier.

Cependant, les supervolcans sont difficiles à étudier et continuent donc de dérouter les chercheurs à ce jour. Par exemple, les scientifiques s'accordent à dire qu'il doit y avoir une chambre de magma à quelques kilomètres de profondeur dans la croûte terrestre, contenant des matières qui s'échappent lors d'une éruption. Cependant, les experts ne sont pas d'accord sur la forme et la consistance d'un tel réservoir.

Piscine vs bloc solidifié

Certains géologues supposent que les caldeiras, comme les cratères de supervolcans sont connus, asseyez-vous au sommet d'un gigantesque réservoir de magma liquide incrusté dans la croûte terrestre. Le manteau alimente ce réservoir en matière et en chaleur, et un supervolcan de ce genre peut éclater de façon explosive à tout moment.

D'autres jugent plus plausible que la chambre magmatique se soit complètement refroidie et solidifiée, et qu'il n'est rendu liquide que par un afflux massif de chaleur du manteau. Ce n'est qu'alors qu'une éruption peut avoir lieu.

"Probablement aucune des théories n'est correcte, " dit Olivier Bachmann, Professeur de volcanologie à l'ETH Zurich. Bachmann et son groupe ont publié deux articles dans la revue Géosciences de la nature , où ils démontrent que la vérité peut se situer quelque part entre ces deux extrêmes.

La vérité quelque part au milieu ?

"La chambre magmatique d'un supervolcan ne ressemble pas à une marmite de soupe qui peut déborder à tout moment et à la moindre provocation, " explique Bachmann. De même, il dit qu'il est faux de supposer que le magma s'est refroidi pour former un corps complètement solidifié, car réactiver un corps de ce genre exigerait un énorme afflux de chaleur en très peu de temps. En outre, des substances volatiles telles que l'eau et le CO2 s'échapperaient du corps pendant le refroidissement et la solidification. Cependant, ces substances sont essentielles pour une éruption car elles servent à augmenter la pression correspondante dans la chambre magmatique.

Prenant comme exemple l'éruption du supervolcan du "Kneeling Nun Tuff" au Nouveau-Mexique, Des études menées par le doctorant de Bachmann, Dawid Szymanowski, ont démontré que la chambre magmatique d'un supervolcan contient un mélange de liquide et de cristallin, c'est-à-dire solidifié – magma. Plus de 40 à 50 pour cent du réservoir est présent sous forme cristalline. Du point de vue du chercheur de l'ETH, les chambres peuvent présenter une texture semblable à une éponge, avec une structure maillée de roche cristallisée et de pores contenant de la matière fondue - bouillie de cristal, comme l'appelle Szymanowski.

Minéraux rares comme enregistreurs de données

Cette bouillie est susceptible de rester très longtemps dans la chambre magmatique avant d'être projetée à la surface. Szymanowski tire cette conclusion de l'analyse du zircon et de la titanite, deux oligo-éléments présents dans le magma. Le zircon est le matériau cristallin des plus anciens échantillons de roche connus sur Terre - certains cristaux trouvés en Australie ont environ 4,4 milliards d'années.

Les cristaux de zircon et de titanite enregistrent non seulement l'heure à laquelle ils se sont formés mais aussi la température lors de leur formation, car cette température influence l'incorporation d'éléments chimiques dans le réseau cristallin. Après la formation des cristaux, la composition chimique de ces minéraux dans une chambre magmatique reste essentiellement inchangée même si les conditions dans la chambre magmatique changent de manière significative.

En analysant l'âge et la composition chimique des cristaux de zircon et de titanite de différentes roches en laboratoire, les chercheurs obtiennent des informations sur l'évolution de la température d'une chambre magmatique au fil du temps. L'éruption ramène ces deux minéraux à la surface, où ils peuvent être trouvés dans les strates rocheuses correspondantes.

A partir de ces analyses, les volcanologues de l'ETH ont conclu que la température dans la chambre magmatique qui a alimenté l'éruption de Kneeling Nun Tuff doit être restée entre 680 et 730 degrés Clesius pendant plus d'un demi-million d'années. Des minéraux, les chercheurs ont pu déterminer qu'il a fallu très longtemps au supervolcan pour devenir complètement "chargé" et atteindre le point d'éruption.

Le modèle numérique prend en charge les analyses minérales

Les analyses minérales sont également appuyées par un modèle informatique créé par Ozge Karakas, un post-doctorat dans le groupe Bachmann. Ce modèle a été publié en juin – également dans la revue Géosciences de la nature – et décrit un système composé d'une chambre magmatique dans la croûte supérieure qui est reliée à d'autres chambres dans la croûte inférieure.

Du magma "source" chaud se forme dans le manteau à une température d'environ 1, 200 degrés avant de remonter à travers les fissures et les cheminées dans la croûte supérieure. Une fois là, il forme un réservoir, qui se refroidit et se cristallise partiellement mais peut survivre sous forme de bouillie de cristal pendant des centaines de milliers d'années.

En utilisant le modèle, les scientifiques ont pu montrer que la formation d'un réservoir permanent dans la croûte supérieure ne nécessite pas de quantités gigantesques de matière du manteau sur de courtes périodes de temps. « Les conditions dans la croûte supérieure ne sont pas propices à la collecte et au stockage d'une telle quantité de matière très rapidement, " dit Karakas. Néanmoins, le géologue dit que le réservoir a besoin d'une connexion avec le magma dans le manteau inférieur afin d'assurer le transport de la chaleur, et elle souligne que, jusqu'à maintenant, les chercheurs n'avaient pas inclus la croûte inférieure dans leurs considérations. "Sans ça, cependant, il n'y aurait pas de supervolcans."

Événements très rares

Aussi bien le modèle que les analyses minérales pointent donc vers l'idée que les supervolcans se forment et mûrissent sur de très longues périodes de temps, et qu'ils ne peuvent éclater qu'à des intervalles de dizaines de milliers d'années. "Le magma est principalement conservé comme un type de cristallin, structure spongieuse. Et il doit toujours être réactivé par un afflux de chaleur avant qu'il puisse entrer en éruption, " dit Olivier Bachmann, résumer les conclusions.

Il n'est pas possible de prédire quand la prochaine éruption du supervolcan est sur le point de se produire sur la base des nouvelles découvertes, car le système n'est pas encore compris de manière suffisamment détaillée. Cependant, les mécanismes de croissance et de réactivation des réservoirs magmatiques géants se précisent, et cela peut aider à mieux évaluer les signes de réveil de ces systèmes à l'avenir. "En tout cas - et heureusement pour nous - une éruption de supervolcan est un événement très rare, " dit Bachmann.