Que se passe-t-il lorsque la lave et l'eau se rencontrent ? Des expériences explosives avec de la lave artificielle aident à répondre à cette question importante.

En cuisant des lots de 10 gallons de roche en fusion et en les injectant de l'eau, les scientifiques font la lumière sur la physique fondamentale des interactions lave-eau, qui sont communs dans la nature mais mal compris.

Le projet, un projet à long terme, étude en cours menée par l'Université de Buffalo - a publié ses premiers résultats le 10 décembre dans le Journal of Geophysical Research (JGR) :Terre solide .

Les scientifiques avertissent que le nombre de tests jusqu'à présent est faible, l'équipe devra donc mener plus d'expériences pour tirer des conclusions définitives.

La recherche montre que les rencontres lave-eau peuvent parfois générer des explosions spontanées lorsqu'il y a au moins environ un pied de roche en fusion au-dessus du point de mélange. Au préalable, des études à plus petite échelle qui utilisaient environ la valeur d'une tasse de café de lave, des scientifiques allemands ont découvert qu'ils devaient appliquer un stimulus indépendant - essentiellement en piquant l'eau dans la lave - pour déclencher une explosion.

Les résultats rapportés dans JGR :Terre solide mettent également en évidence certaines tendances préliminaires, montrant que dans une série de tests, plus grand, des réactions plus brillantes avaient tendance à se produire lorsque l'eau pénétrait plus rapidement et lorsque la lave était contenue dans des conteneurs plus hauts. (L'équipe a mené un total de 12 expériences dans lesquelles les vitesses d'injection d'eau variaient d'environ 6 à 30 pieds par seconde, et dans lequel la lave était contenue dans des boîtes en acier isolées dont la hauteur variait d'environ 8 à 18 pouces.)

"Si vous pensez à une éruption volcanique, il y a des forces puissantes à l'œuvre, et ce n'est pas une chose douce, " dit l'enquêteur principal Ingo Sonder, Doctorat., chercheur au Centre d'études sur les géorisques de l'UB. "Nos expériences examinent la physique de base de ce qui se passe lorsque l'eau est piégée à l'intérieur de la roche en fusion."

Sonder discutera des résultats lors d'une conférence de presse lors de la réunion d'automne 2018 de l'AGU aujourd'hui, Lundi, 10 décembre à 16 h Heure de l'Est dans la chambre Shaw/LeDroit Park au niveau M3 de l'hôtel Marriott Marquis, 901 Massachusetts Ave NO, Washington, DC 20001. Cette conférence de presse sera également diffusée en direct sur la page Web des événements de presse de l'AGU et un enregistrement de la conférence de presse sera archivé sur la chaîne YouTube de l'AGU. Les journalistes intéressés par la diffusion en continu de la conférence de presse et la participation à distance doivent se rendre sur la page Webstreaming sur le site Web du centre des médias de la réunion d'automne 2018.

Sonder présentera également une affiche sur cette recherche mardi, 11 décembre de 13 h 40 à 18 h Heure de l'Est au Walter E. Washington Convention Center, Salle A-C, en séance V23J.

L'étude a été financée par la National Science Foundation.

En plus de Sonder, Les co-auteurs de l'UB comprenaient Andrew G. Harp, Doctorat., qui a contribué au projet en tant que doctorat en géologie de l'UB. candidat et est maintenant maître de conférences en sciences géologiques et environnementales à la California State University, Chico ; Alison Graettinger, Doctorat., qui a contribué au projet en tant que chercheur postdoctoral en géologie à l'UB et est maintenant professeur adjoint de géosciences à l'Université du Missouri-Kansas City; Pranabendu Moitra, Doctorat., qui a contribué au projet en tant que chercheur postdoctoral en géologie à l'UB et est maintenant associé de recherche postdoctoral au Lunar and Planetary Laboratory de l'Université de l'Arizona ; et Greg Valentine, Doctorat., professeur de géologie à l'UB College of Arts and Sciences et directeur du Center for Geohazards Studies à l'UB. Ralf Buttner, Doctorat., et Bernd Zimanowski, Doctorat., de l'Universität Würzburg en Allemagne a également contribué.

Comprendre les rencontres lave-eau sur de vrais volcans

Dans la nature, la présence d'eau peut rendre l'activité volcanique plus dangereuse, comme lors des éruptions passées du Kilauea d'Hawaï et de l'Eyjafjallajökull d'Islande. Mais dans d'autres cas, la réaction entre les deux matériaux est modérée.

Sonder veut comprendre pourquoi :« Parfois, quand la lave rencontre l'eau, tu vois énorme, activité explosive. D'autres fois, il n'y a pas d'explosion, et la lave peut juste refroidir et former des formes intéressantes. Ce que nous faisons, c'est essayer de connaître les conditions qui provoquent les réactions les plus violentes."

Finalement, les résultats du projet à long terme pourraient améliorer la capacité des scientifiques à évaluer le risque que les volcans se rapprochent de la glace, des lacs, les océans et les sources d'eau souterraines posent aux personnes qui vivent dans les communautés environnantes.

« La recherche n'en est qu'à ses débuts, nous avons donc plusieurs années de travail devant nous avant de pouvoir examiner toute la gamme et la combinaison des facteurs qui influencent ce qui se passe lorsque la lave ou le magma rencontre de l'eau, " dit Valentin, co-auteur de l'étude et directeur du Center for Geohazards Studies à l'UB.

"Toutefois, tout ce que nous faisons est dans l'intention de faire une différence dans le monde réel, ", dit-il. "Comprendre les processus de base liés aux volcans nous aidera en fin de compte à mieux prévoir les éruptions."

Expériences volcaniques à grande échelle

Les interactions lave-eau sont associées à un phénomène connu sous le nom d'interaction fluide caloporteur en fusion, dans lequel un combustible liquide (une source de chaleur) réagit violemment avec un liquide de refroidissement. Une grande partie des travaux expérimentaux dans ce domaine a été réalisée dans le contexte de la sécurité industrielle, en mettant l'accent sur la compréhension des dangers potentiels dans les centrales nucléaires et les sites de production de métaux.

Les expériences sur l'eau de lave s'appuient sur des recherches antérieures dans ce domaine, tout en se concentrant sur la roche en fusion.

Le travail a lieu à la station de terrain Geohazards de l'UB à Ashford, New York, à environ 40 milles au sud de Buffalo. Géré par le Centre d'études sur les géorisques de l'UB, l'installation offre aux scientifiques un endroit pour mener des expériences à grande échelle simulant des processus volcaniques et d'autres dangers. Dans ces épreuves, les chercheurs peuvent contrôler les conditions d'une manière qui n'est pas possible sur un vrai volcan, dicter, par exemple, la forme de la colonne de lave et la vitesse à laquelle l'eau y pénètre.

Pour faire de la lave, des scientifiques déversent de la roche basaltique dans un four à induction à haute puissance. Ils le chauffent pendant environ 4 heures. Lorsque le mélange atteint un feu rouge 2, 400 degrés Fahrenheit, il est versé dans une boîte en acier isolée et injecté avec deux ou trois jets d'eau.

Puis, un marteau enfonce un piston dans le mélange pour aider à stimuler une explosion. (Dans certains cas, si suffisamment de roche en fusion était présente au-dessus du point d'injection, une réaction intense a commencé avant que le marteau ne tombe).

En plus d'identifier certaines tendances préliminaires, l'étude publiée atteste de la grande variété de processus physiques qui peuvent se produire lorsque la lave et l'eau se rencontrent.

« La réponse du système à l'injection d'eau variait de légère, processus dominés par l'évaporation, dans lequel seule une petite masse fondue a été éjectée du récipient avec un peu de vapeur, à des réactions plus fortes avec des jets de vapeur visibles, et avec des domaines fondus éjectés à plusieurs mètres de hauteur, " ont écrit les scientifiques dans JGR :Terre solide .

Briser le film de vapeur ?

L'étude n'a pas examiné pourquoi la hauteur de la boîte et la vitesse d'injection d'eau correspondaient aux plus grandes explosions. Mais Sonder, ayant une formation en géosciences et en physique, propose quelques réflexions.

Il explique que lorsqu'une goutte d'eau est piégée par une substance beaucoup plus chaude, les bords extérieurs de l'eau se vaporisent, formant un film protecteur qui enveloppe le reste de l'eau comme une bulle, limitant le transfert de chaleur dans l'eau et l'empêchant de bouillir. C'est ce qu'on appelle l'effet Leidenfrost.

Mais lorsque l'eau est injectée rapidement dans une haute colonne de lave, l'eau, qui est environ trois fois plus légère que la lave, accélérera vers le haut et se mélangera plus rapidement à la roche en fusion. Cela peut provoquer la déstabilisation du film de vapeur, dit Sonder. Dans cette situation, l'eau non protégée augmenterait rapidement en volume en se réchauffant, imposant des contraintes élevées sur la lave, il dit. Le résultat? Une violente explosion.

En revanche, lorsque l'eau est injectée lentement dans des bassins de lave moins profonds, le film de vapeur protecteur peut retenir, ou l'eau peut atteindre la surface de la lave ou s'échapper sous forme de vapeur avant qu'une explosion ne se produise, dit Sonder.

Il espère explorer ces théories à travers de futures expériences :« Peu de travaux ont été réalisés dans ce domaine, " il dit, "donc même certains de ces processus de base ne sont vraiment pas bien compris."