Kilauea, un célèbre volcan hawaïen, fait éclater de la lave et des cendres basaltiques qui contiennent de fortes concentrations de fluor. Crédit :M. Patrick, USGS
Les contaminants provenant des éruptions volcaniques s'infiltrent dans l'eau à des vitesses différentes selon la forme des particules de cendres volcaniques, selon de nouvelles recherches qui pourraient améliorer la capacité des scientifiques à prédire le risque de qualité de l'eau dans les régions volcaniques actives.
Les cendres volcaniques sont constituées de fragments microscopiques de magma solidifié propulsé par des éruptions volcaniques. Quand un volcan entre en éruption, les cendres peuvent parcourir de grandes distances. A court terme, les cendres peuvent contaminer la végétation, les eaux de surface, les sols et les eaux souterraines avec des métaux lourds comme le cuivre, le cadmium et l'arsenic et les contaminants non métalliques comme le fluor.
Ces contaminants peuvent entrer dans la chaîne alimentaire dans un processus connu sous le nom de bioaccumulation. La bioaccumulation se produit lorsque les organismes ingèrent et stockent des contaminants qu'ils ne peuvent métaboliser. Ces contaminants peuvent devenir plus concentrés à mesure qu'ils remontent la chaîne alimentaire, empoisonner le bétail et les humains. La bioaccumulation des métaux lourds peut provoquer certains cancers, tandis que la bioaccumulation de non-métaux comme le fluor peut causer des dommages au squelette.
Une nouvelle étude publiée dans la revue GeoHealth de l'AGU révèle que la surface des particules de cendres contrôle la vitesse à laquelle les cendres lixivent les contaminants dans l'eau. Plus une particule a de bulles ou plus elle est poreuse, plus sa surface est grande. Les cendres avec plus de bulles s'échappent plus rapidement, parce qu'il a plus de surface pour que l'eau pénètre.
Les résultats suggèrent que la structure des particules peut affecter la qualité de l'eau, améliorer la capacité des géologues à prédire comment les environnements pourraient réagir aux explosions volcaniques. Comprendre comment les types de cendres influencent la façon dont les contaminants se dissolvent dans l'eau permet aux scientifiques de prédire les risques pour la santé imposés par la contamination de l'eau dans les régions à volcanisme fréquent, selon les auteurs de l'étude.
L'image de gauche est de la cendre andésitique du volcan Turrialba. Sa porosité élevée lui confère une plus grande surface. L'image de droite est du frêne basaltique du Kilauea. Son aspect lisse et sphérique montre sa surface réduite. Crédit :AGU
"Les premières heures sont celles où l'eau est la plus contaminée et les taux de lessivage diminuent ensuite. Cependant, le long terme, des éruptions répétées peuvent conduire à une bioaccumulation, " dit Candace Wygel, un géologue qui a mené la recherche alors qu'il était étudiant diplômé à l'Université Lehigh à Bethléem, Pennsylvanie. Wygel, maintenant géologue à Roux Environmental Engineering and Geology D.P.C. a New York, New York, est l'auteur principal du nouveau document.
Mesure de la concentration des bulles
Des études antérieures sur les cendres volcaniques supposaient que chaque particule était uniformément sphérique et compacte. Cette méthode ne tenait pas compte de la porosité de certains types de cendres. Par exemple, particules de cendres andésitiques, un type de cendres volcaniques avec des cristaux à grains moyens et une teneur moyenne en silice, peut avoir de nombreuses bulles microscopiques. Chaque bulle augmente la surface de l'échantillon de cendres. Plus d'eau peut toucher l'échantillon et dissoudre ses contaminants.
En outre, différents types de cendres volcaniques ont des concentrations uniques d'éléments et de contaminants. frêne basaltique, un type de cendres volcaniques à faible teneur en silice, contient plus de métaux que les cendres andésitiques. Cependant, puisque la cendre andésitique a plus de bulles, il lessive ce qu'il a plus rapidement. Les scientifiques savaient que la composition chimique influençait la lixiviation des cendres volcaniques, mais Wygel et ses collègues soupçonnaient que la structure des particules avait également un impact sur le taux de lixiviation des cendres.
"Nous voulions voir comment la morphologie des cendres impactait la lixiviation dans l'environnement, " a déclaré Wygel.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont collecté des échantillons de quatre volcans à Hawaï, Costa Rica, Alaska et Islande. Chaque volcan a éclaté principalement de cendres basaltiques ou andésitiques. Les chercheurs ont mesuré la surface totale de chaque échantillon et pris en compte les bulles à l'intérieur des cendres. Ils ont découvert que les échantillons avaient des surfaces environ trois fois plus grandes que lorsqu'ils étaient mesurés avec la méthode géométrique standard.
Ils ont trouvé des particules de cendres avec des surfaces plus grandes lessivaient les métaux plus rapidement. Sur sept jours, l'eau a érodé les particules, en réduisant leurs surfaces et en modifiant leurs taux de lixiviation. Les chercheurs ont pris des mesures de surface à différents moments pour observer comment les taux de lixiviation des cendres ont changé en raison de l'altération de l'eau.
Les cendres andésitiques du volcan costaricien Turrialba avaient le taux de lixiviation le plus élevé, attribué à ses fortes concentrations de bulles. Les cendres de Turrialba ont initialement lessivé les contaminants le plus rapidement. Cependant, cendres basaltiques du volcan hawaïen, Kilauea, lessivait les plus grandes concentrations de métaux. Les résultats suggèrent que le taux de lessivage des cendres et la composition chimique affectent les environnements en tandem.
