Les volcans éclatent lorsque le magma monte à travers les fissures de la croûte terrestre, mais les processus exacts qui conduisent à la fonte des roches dans le manteau terrestre sont difficiles à étudier.

Dans notre papier, publié aujourd'hui dans la revue La nature , nous montrons comment il est possible d'utiliser les mesures satellitaires des mouvements de la surface de la Terre pour observer le processus de fonte profondément sous l'île du Nord centrale de la Nouvelle-Zélande, l'une des régions volcaniques les plus actives au monde.

Rifting dans la zone volcanique de Taupo

La couche externe solide de la Terre est connue sous le nom de croûte, et cela recouvre le manteau terrestre. Mais ces couches ne sont pas fixes. Ils sont divisés en plaques tectoniques qui se déplacent lentement les unes par rapport aux autres.

C'est le long des limites des plaques tectoniques que se produit la majeure partie de l'action géologique à la surface de la Terre, comme les tremblements de terre, activité volcanique et construction de montagnes. Cela fait de la Nouvelle-Zélande un endroit particulièrement dynamique, géologiquement parlant, car il chevauche la frontière entre les plaques australienne et pacifique.

La région centrale de l'île du Nord est connue sous le nom de zone volcanique de Taupo, ou TVZ. Il porte le nom du lac Taupo, le cratère inondé du plus grand volcan de la région, et il est actif depuis deux millions d'années. Plusieurs volcans continuent d'entrer régulièrement en éruption.

La TVZ est la pointe sud d'une zone d'expansion, ou rifting, dans la croûte terrestre qui s'étend au large sur des milliers de kilomètres, tout au nord dans l'océan Pacifique jusqu'aux Tonga. Au large, cela se fait par l'étalement des fonds marins dans la fosse du Havre, créant à la fois une nouvelle croûte océanique et un étroit éclat de plaque le long du bord de la plaque tectonique australienne. Étonnamment, cet étalement se déroule en même temps que la plaque tectonique Pacifique adjacente glisse sous la plaque australienne dans une zone de subduction, déclenchant certains des principaux tremblements de terre de la région.

L'étalement des fonds marins entraîne la fonte du manteau terrestre, mais il est très difficile d'observer ce processus directement dans l'océan profond. Cependant, le fond marin s'étendant dans la fosse du Havre se transforme brusquement en activité volcanique dans la TVZ. C'est l'occasion d'observer la fonte du manteau terrestre sur terre.

En général, l'activité volcanique se produit chaque fois qu'il y a de la roche en fusion en profondeur, et donc le volcanisme dans l'île du Nord indique de vastes volumes de roche en fusion sous la surface. Cependant, cela a été un problème délicat de comprendre exactement ce qui cause la fonte en premier lieu, parce que les roches sous-jacentes sont enterrées par d'épaisses couches de matière volcanique.

Nous avons résolu ce problème en utilisant les données des capteurs du système de positionnement global (GPS), dont certains font partie du réseau GeoNet de la Nouvelle-Zélande et d'autres sont utilisés dans des campagnes de mesures depuis 1995. Les capteurs mesurent les déplacements horizontaux et verticaux de la surface de la Terre avec une précision millimétrique, et notre recherche est basée sur des données recueillies au cours des deux dernières décennies.

Flexion de la surface de la terre

Les mesures GPS dans la zone volcanique de Taupo révèlent qu'elle s'élargit d'est en ouest à un rythme de 6 à 15 millimètres par an - en d'autres termes, la région, globalement, s'agrandit, comme nous l'avions prévu d'après nos connaissances géologiques précédentes. Mais il était surprenant de découvrir que, au moins depuis 15 ans, un tronçon d'environ 70 kilomètres subit une forte contraction horizontale et s'affaisse également rapidement, tout le contraire de ce que l'on pourrait imaginer.

De façon inattendue également, la zone de contraction est entourée de régions en expansion, mais aussi édifiant. Essayer de donner un sens à ces observations s'est avéré être la clé de notre nouvelle compréhension du processus de fusion sous la TVZ.

Nous avons constaté que le modèle de contraction et d'affaissement, avec l'expansion et l'élévation, dans le contexte du rifting global de la TVZ, pourrait s'expliquer par un modèle simple qui implique la flexion et la courbure d'une croûte supérieure élastique, tiré vers le bas ou poussé vers le haut par une force motrice verticale sous-jacente. La taille de la région qui se comporte comme ça, s'étendant sur environ 100 kilomètres de largeur et 200 kilomètres de longueur, nécessite que cette force provienne de près de 20 kilomètres sous terre, dans le manteau terrestre.

Faire fondre le manteau

Lorsque les plaques tectoniques se séparent sur le fond marin, le manteau sous-jacent s'élève pour combler le vide. Cette remontée déclenche la fonte, et la raison en est que chaud, mais solide, les roches du manteau subissent une réduction de pression lorsqu'elles se déplacent vers le haut et se rapprochent de la surface de la Terre. Cette baisse de pression, plutôt qu'un changement de température, commence la fonte du manteau.

Mais il y a une autre propriété de ce flux du manteau ascendant, car il crée également une force d'aspiration qui tire vers le bas la croûte sus-jacente. Cette force se produit parce que dans le cadre du flux, les roches doivent effectivement "tourner un coin" près de la surface d'un écoulement principalement vertical à un écoulement principalement horizontal.

Il s'avère que la force de cette force dépend de la rigidité ou de l'adhérence des roches du manteau, mesuré en termes de viscosité (il est difficile de piloter le flux de fluides très visqueux ou collants, mais facile dans les coulants).

Des études expérimentales ont montré que la viscosité des roches au plus profond de la Terre est très sensible à la quantité de matière en fusion qu'elles contiennent, et nous proposons que les changements dans la quantité de matière fondue fournissent un mécanisme puissant pour changer la viscosité du manteau ascendant. Si les roches du manteau ne contiennent pas beaucoup de fonte, ils seront beaucoup plus collants, provoquant l'arrachement rapide de la croûte sus-jacente. Si les roches viennent de fondre, alors cela rend le flux des rochers plus coulant, permettant à la croûte sus-jacente de rebondir à nouveau.

On sait aussi que les mouvements que l'on observe en surface avec le GPS doivent être de relativement courte durée, géologiquement parlant, ne dure pas plus de quelques centaines ou quelques milliers d'années. Sinon, ils entraîneraient de profonds changements dans le paysage et nous n'en avons aucune preuve.

Utilisation du GPS, nous pouvons non seulement mesurer la force de la force d'aspiration, mais on peut "voir" où, pour combien de temps, et de combien le manteau sous-jacent fond. Cette fonte finira par remonter à travers la croûte pour alimenter les volcans sus-jacents.

Cette recherche nous aide à comprendre comment les systèmes volcaniques fonctionnent à diverses échelles de temps, de l'humain au géologique. En réalité, il se peut que les mesures GPS effectuées au cours des deux dernières décennies seulement aient capturé un changement dans la quantité de fonte du manteau en profondeur, ce qui pourrait annoncer le début d'une activité volcanique accrue et des risques associés à l'avenir. Mais nous n'avons pas encore de mesures sur une période suffisamment longue pour faire des prédictions fiables.

Le point clé ici est, néanmoins, que nous sommes entrés dans une nouvelle ère où les mesures satellitaires peuvent être utilisées pour sonder l'activité à 20 kilomètres sous la surface de la Terre.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.