À l'époque où il travaillait sur son doctorat. en géophysique à l'Université de Chicago dans les années 1980, Dork Sahagian a pris une pause un jour après avoir étudié les coulées de lave pour assister à une conférence sur la formation des gouttes de pluie dans les nuages.

Ce qu'il a appris lui a donné une nouvelle perspective sur la lave et l'a inspiré à développer une nouvelle méthode d'estimation de l'élévation historique des surfaces terrestres de la Terre.

« Lors de la conférence, " dit Sahagian, qui est maintenant professeur de sciences de la terre et de l'environnement à Lehigh, "un physicien de l'atmosphère a montré comment les grosses gouttes de pluie tombent plus rapidement parce qu'elles ont un rapport volume/surface plus élevé et donc une vitesse terminale plus élevée que les gouttes de pluie plus petites.

"À cause de ce, les gouttes plus grosses rattrapent les gouttes plus petites et fusionnent avec elles. Les gouttes de pluie grossissent alors, ce qui fait que la distribution des tailles s'agrandit."

À l'époque, Sahagian étudiait les vésicules, ou des bulles d'air, qui se suspendent dans les coulées durcies de lave basaltique, une forme très fluide de roche en fusion crachée par les volcans. Les vésicules se forment et sont piégées dans les couches supérieure et inférieure de la coulée de lave; la couche intermédiaire, le dernier à se solidifier, reste sans bulles.

La conférence du physicien a conduit à un moment Eurêka pour Sahagian.

"J'ai renversé le ciel, pour ainsi dire, " se souvient-il. " J'ai imaginé les plus grosses bulles de lave qui coulaient vers le haut, comme les bulles de champagne ou de soda, et rattraper les plus petites bulles, puis fusionner et monter encore plus vite."

Les couches supérieure et inférieure de la lave, Sahagian supposa, devrait contenir à peu près les mêmes tailles de bulles et la même distribution de tailles de bulles. Il a fait quelques calculs mathématiques et a écrit un modèle décrivant la hausse, croissance et coalescence de bulles dans une coulée de lave.

"Mais un jour, j'ai réalisé que la distribution de taille des bulles en haut de la coulée devait différer de la distribution en bas même si la lave provient du même magma volcanique, " dit-il. " C'est parce qu'en haut, les bulles ne sont soumises qu'à la pression atmosphérique, tandis qu'en bas, ils sont soumis à la pression atmosphérique ainsi qu'à la pression hydrostatique du poids de la lave au-dessus."

Ainsi, raisonnait Sahagian, en calculant le rapport entre la taille des bulles modales dans les couches supérieure et inférieure de la lave, et en rapport avec l'épaisseur et l'âge de la coulée de lave, il a pu déterminer la pression atmosphérique qui régnait lorsque la lave s'est mise en place, ou durci dans sa position finale. (La taille modale est la plage de tailles avec la plus grande population de bulles.)

"En d'autres termes, les rapports des volumes des bulles doivent être les mêmes que le rapport des pressions. Si nous pouvons mesurer les volumes de bulles et l'épaisseur de la lave, nous pouvons résoudre la pression atmosphérique."

Et étant donné que la pression atmosphérique diminue en fonction de l'augmentation de l'altitude, Sahagian a en outre déduit qu'il devrait être possible de déterminer à quelle altitude la lave s'est installée.

Quelques années plus tard, Sahague, à cette époque, membre du corps professoral de l'Ohio State University, s'est rendu à Hawaï pour tester la formule dans les coulées de lave basaltique qui s'étaient durcies lors de l'éruption du volcan Mauna Loa en 1959.

"En cas de doute, " il dit, "aller à Hawaï."

Sahagian et son élève, Joe Maus, mesures de la taille et de la distribution des bulles dans des échantillons prélevés à la base du Mauna Loa au niveau de la mer et à partir de son sommet à 12 h, 000 pieds d'altitude. Pour éviter des résultats faussés, ils n'ont échantillonné que simplement mis en place, coulées de lave bien conservées et exposées qui n'avaient pas été altérées - par gonflement ou drainage - après la solidification des parties supérieure et inférieure des coulées.

"Nous avons fait beaucoup de repérage avant de trouver le bon type de flux, " a déclaré Sahagian. "Nous voulions nous assurer que la vésicularité que nous avons mesurée était vraiment fonction de la position stratigraphique dans l'écoulement."

Les chercheurs ont calculé le rapport entre la taille moyenne des bulles dans les couches supérieure et inférieure de la lave à la base du Mauna Loa, puis ont déterminé le même rapport pour la lave au sommet du volcan. La différence entre les deux ratios était significative, et cela correspondait à peu près à la différence de pression atmosphérique entre le sommet et la base du Mauna Loa. Sahagian et Maus ont rapporté leurs résultats dans le magazine Nature en 1994 dans un article intitulé "Basalt Vesicularity as a Measure of Atmospheric Pressure and Paleoelevation".

« Si la pression atmosphérique au niveau de la mer est connue (ou supposée), " ils ont écrit, « les distributions de la taille des vésicules dans les coulées de basalte peuvent ainsi être utilisées comme indicateur de la paléoélévation de la mise en place. la pression ambiante qui a fourni des estimations d'altitude avec une résolution d'environ 400 mètres."

"Nous étions excités à ce sujet, " dit Sahagian. " Il n'y avait pas vraiment de bons paléoaltimètres géologiques pour vous dire à quelle hauteur se trouvait un élément terrestre à moins qu'il ne soit au niveau de la mer. Nous pouvions mesurer la profondeur de l'eau mieux que nous ne pouvions mesurer l'altitude.

"Mais maintenant j'avais fait un paléoaltimètre à partir d'une formule mathématique triviale, et ça a marché."

Sahagian a ensuite apporté sa nouvelle technique sur le plateau du Colorado, qui couvre une grande partie de l'Utah, Colorado, Arizona et Nouveau-Mexique. Les scientifiques utilisant différentes méthodes pour mesurer l'élévation géologiquement récente du plateau étaient arrivés à des conclusions apparemment contradictoires quant au moment et donc à la raison de l'élévation.

"Nous avons essayé de régler un différend entre ceux qui disaient qu'il s'agissait d'un soulèvement récent et ceux qui disaient qu'il était ancien. Il s'est avéré que les deux groupes avaient raison. Le plateau se soulève depuis au moins 30 millions d'années, mais il s'élève plus rapidement en les cinq à dix derniers millions d'années qu'auparavant."

Plus récemment, Sahagian s'est rendu dans les montagnes Hangay du centre de la Mongolie pour affronter un autre casse-tête géologique :000 pieds d'altitude—se produisent dans un intérieur continental où les altitudes sont généralement faibles ? Aussi, les Hangay sont situés à proximité de zones de failles majeures qui s'étirent et dont on peut s'attendre à ce qu'elles aient un effet d'aplatissement sur la topographie.

Sahagian et son collaborateur, Alex Proussevitch de l'Université du New Hampshire et anciennement de l'Académie des sciences de Sibérie à Novossibirsk, Russie, font partie d'une équipe interdisciplinaire de deux douzaines de chercheurs qui ont passé sept ans à étudier le Hangay grâce à une subvention de la National Science Foundation. L'équipe comprend les membres du corps professoral de Lehigh Peter Zeitler, un géochronologue, Anne Meltzer, un sismologue, et Bruce Idleman, un chercheur scientifique principal. Les chercheurs espèrent faire la lumière sur l'histoire géologique de la Terre et sur les liens liant la déformation continentale, l'évolution de la topographie et du climat mondial.

En Mongolie, le premier ordre du jour pour Sahagian et Proussevitch et leurs collègues était de rechercher des échantillons de bien exposés, lave inaltérée dont l'épaisseur pouvait être mesurée avec précision. Comme les monts Hangay sont une région à la topographie accidentée avec peu de routes et peu ou pas d'infrastructures, le groupe s'estimait chanceux de trouver un chauffeur russophone avec un fourgon tout-terrain.

"Nous avons fait beaucoup de repérage et collecté des échantillons, " dit Sahagian. " Nous avons essayé de nous assurer que ces sites de lave étaient bien exposés et que nous pouvions voir le haut et le bas d'une coulée de lave. Nous avons parcouru le plateau de Hangay et ses environs, dont le désert de Gobi, où il y avait aussi des coulées de lave."

Le groupe a collecté des échantillons en forant des carottes de 1 pouce de diamètre. Les spécimens ont été datés par Zeitler et ses étudiants du laboratoire de géochronologie de Lehigh et ont été âgés de 100, 000 ans à 3-4 millions d'années à 9,5 millions d'années.

"Nous avons eu la chance d'avoir une bonne répartition des âges, " dit Sahagian.

Les chercheurs ont ensuite utilisé une tomographie à rayons X calculée à haute résolution pour mesurer la taille et la distribution des bulles dans les couches supérieure et inférieure de chaque spécimen de lave. Ils ont ensuite déterminé le rapport des tailles moyennes des vésicules entre les couches et, ensuite, la pression atmosphérique au moment de la mise en place.

Le groupe a rendu compte de ses résultats l'année dernière dans un article du Journal de géologie intitulé « Soulèvement du centre de la Mongole enregistré dans les basaltes vésiculaires ». Sa conclusion principale :les monts Hangay se sont élevés d'environ 1 kilomètre, plus ou moins quelques centaines de mètres, au cours des 10 derniers millions d'années. Lorsque ce soulèvement s'est produit, et si c'est arrivé d'un coup, progressivement ou par à-coups, reste à déterminer.

Sahagian dit que beaucoup de travail reste à faire dans les montagnes Hangay.

"C'est l'un de nos premiers résultats. De nombreuses hypothèses différentes ont été suggérées pour expliquer pourquoi la région de Hangay est élevée et pourquoi elle est édifiante. Nous espérons les tester et développer notre propre hypothèse. Nous attendons le résultats des travaux sismiques qui nous en diront plus sur la structure profonde du manteau et de la lithosphère supérieure et inférieure.

"Mais en ce qui concerne notre travail de vésicularité basaltique, notre résultat est robuste. Un kilomètre en 10 millions d'années n'est pas un taux de soulèvement anormal. C'est très cohérent avec ce que les autres trouvent. Comment interpréter ce résultat ? C'est la plus grande image, et cela doit encore être résolu."