Il y en a environ 1, 500 volcans potentiellement actifs dans le monde et environ 50 éruptions se produisent chaque année. Mais il est encore difficile de prédire quand et comment ces éruptions se produiront ou comment elles se dérouleront. Maintenant, de nouvelles connaissances sur les processus physiques à l'intérieur des volcans permettent aux scientifiques de mieux comprendre leur comportement, ce qui pourrait aider à protéger le milliard de personnes qui vivent à proximité des volcans.

Volcans constructeurs de dômes, qui sont fréquemment actifs, sont parmi les types de volcans les plus dangereux car ils sont connus pour leur activité explosive. Ce type de volcan entre souvent en éruption en produisant d'abord une extrusion en forme de dôme de lave épaisse à son sommet qui est trop visqueuse pour s'écouler. Quand il finit par se déstabiliser, il se rompt et produit des courants rapides de gaz chauds, morceaux de lave solidifiée et cendres volcaniques, appelés nuages ​​pyroclastiques, qui coulent sur les flancs du volcan à la vitesse d'un train rapide.

"Les aléas qui leur sont associés peuvent être très spontanés et difficiles à prévoir, " a déclaré le professeur Thomas Walter, professeur de volcanologie et géorisques à l'Université de Potsdam en Allemagne. "C'est pourquoi il est si important de comprendre ce phénomène de dômes de lave."

On sait peu de choses sur le comportement des dômes de lave, en partie parce qu'il n'y a pas beaucoup de données disponibles. Le professeur Walter et ses collègues veulent mieux comprendre comment ils se forment, s'ils peuvent varier considérablement en forme et à quoi ressemble leur structure interne. Au cours des cinq dernières années, à travers un projet appelé VOLCAPSE, ils ont utilisé des techniques innovantes pour surveiller les dômes de lave en utilisant des données radar haute résolution capturées par des satellites ainsi que des vues rapprochées de caméras installées près des volcans.

"Pixel par pixel, nous pourrions déterminer comment la forme, la morphologie et la structure de ces dômes de lave ont changé, " a déclaré le professeur Walter. "Nous avons comparé (les images de la webcam) aux observations radar par satellite."

Laps de temps

Le projet s'est concentré sur quelques volcans en construction de dômes tels que Colima au Mexique, Mont Merapi en Indonésie, Bezymianny en Russie, et le mont Lascar et Lastarria au Chili. Cela impliquait en partie de les visiter et d'installer des instruments tels que des caméras time-lapse alimentées par des panneaux solaires qui pouvaient être contrôlés à distance. Si un dôme de lave commençait à se former, par exemple, l'équipe a pu modifier les paramètres afin de capturer plus souvent des images à plus haute résolution.

En raison des hautes altitudes et des conditions météorologiques difficiles, l'installation des caméras a été plus difficile que prévu. « Ce fut une courbe d'apprentissage abrupte, mais aussi essai et erreur, parce que personne ne pouvait nous dire à quoi s'attendre sur ces volcans puisque cela n'avait jamais été fait auparavant, " a déclaré le professeur Walter.

Lors de leurs visites, l'équipe a également utilisé des drones. Ceux-ci survoleraient un dôme de lave et captureraient des images haute résolution sous différentes perspectives, qui pourrait être utilisé pour créer des modèles 3D détaillés. Des capteurs de température et de gaz sur les drones ont fourni des informations supplémentaires.

Le professeur Walter et ses collègues ont utilisé les données pour créer des simulations informatiques, comme la façon dont la croissance des dômes de lave change d'éruption en éruption. Ils ont découvert que les nouveaux dômes de lave ne se forment pas toujours au même endroit :un dôme de lave peut se former au sommet d'un volcan lors d'une éruption alors que la prochaine fois il se forme sur l'un de ses flancs. L'équipe était perplexe, puisqu'un conduit à l'intérieur d'un volcan ramène le magma à la surface lors d'une éruption, ce qui signifierait qu'il change d'orientation entre une éruption et la suivante. "C'était très surprenant pour nous, " a déclaré le professeur Walter.

Champ de contrainte

Ils ont pu expliquer comment cela se produit en examinant la répartition des forces internes – ou champ de contrainte – dans un volcan. Lorsque le magma est expulsé lors d'une éruption, il modifie la répartition des forces à l'intérieur et provoque une réorientation du conduit.

L'équipe a également découvert qu'il existait un modèle systématique dans la façon dont le champ de contrainte a changé, ce qui signifie qu'en étudiant la position des dômes de lave, ils pouvaient estimer où ils s'étaient formés dans le passé et où ils apparaîtraient dans le futur. Cela pourrait aider à déterminer quelles zones proches d'un volcan sont susceptibles d'être les plus touchées par les éruptions à venir.

"C'est un résultat très intéressant pour la recherche prédictive si vous voulez comprendre d'où le dôme de lave va extruder (ou s'effondrer) à l'avenir, " il a dit.

Savoir d'où un volcan va éclater est une chose, mais savoir quand il le fera est une autre affaire et les facteurs physiques qui régissent cela ne sont pas non plus bien compris. Bien qu'il existe une relation entre la fréquence des éruptions et leur taille, avec de grandes éruptions se produisant très rarement par rapport aux plus petites, un manque de données fiables rend difficile l'examen des processus qui contrôlent la fréquence et l'ampleur des éruptions.

"Quand vous retournez dans les archives géologiques, (les traces de) nombreuses éruptions disparaissent à cause de l'érosion, " a déclaré le professeur Luca Caricchi, professeur de pétrologie et de volcanologie à l'Université de Genève en Suisse.

Par ailleurs, il n'est pas possible d'accéder directement à ces processus car ils se déroulent en profondeur sous un volcan, à des profondeurs de 5 à 60 kilomètres. Mesurer la chimie et les textures du magma expulsé lors d'une éruption peut fournir des indices sur les processus internes qui ont conduit à l'événement. Et les chambres magmatiques peuvent parfois être étudiées lorsqu'elles apparaissent à la surface de la Terre en raison de processus tectoniques. L'extraction d'informations à partir de périodes spécifiques reste cependant difficile, car l'"image" que vous obtenez est comme un film où toutes les images sont réduites en une seule prise de vue. "C'est compliqué de retrouver l'évolution dans le temps, ce qui s'est vraiment passé pendant le film, " a déclaré le professeur Caricchi.

Le professeur Caricchi et ses collègues utilisent une nouvelle approche pour prévoir le taux de récurrence des éruptions. Les prédictions précédentes étaient généralement basées sur des analyses statistiques des enregistrements géologiques d'un volcan. Mais à travers un projet appelé FEVER, l'équipe vise à combiner cette méthode avec la modélisation physique des processus responsables de la fréquence et de la taille des éruptions. Une approche similaire a été utilisée pour estimer quand les tremblements de terre et les inondations se reproduiront.

L'utilisation de modèles physiques devrait particulièrement être utile pour faire des prédictions pour les volcans où il y a peu de données disponibles. "Pour extrapoler nos découvertes à partir d'un endroit où nous en savons beaucoup, comme au Japon, vous avez besoin d'un modèle physique qui vous indique pourquoi la relation fréquence-amplitude change, " a déclaré le professeur Caricchi.

Pour créer leur modèle, l'équipe a incorporé des variables qui affectent la pression dans le réservoir de magma ou le taux d'accumulation de magma en profondeur sous le volcan. La viscosité de la croûte sous le volcan et la taille du réservoir de magma, par exemple, jouer un rôle. Ils ont effectué plus d'un million de simulations en utilisant toutes les combinaisons de valeurs possibles. La relation entre la fréquence et la magnitude qu'ils ont obtenue à partir de leur modèle était similaire à ce qui avait été estimé en utilisant des enregistrements volcaniques, ils pensent donc qu'ils ont pu capturer les processus fondamentaux impliqués.

"C'est une sorte de lutte entre la quantité de magma et les propriétés de la croûte, ", a déclaré le professeur Caricchi. "Ce sont les deux grands acteurs qui se battent pour finalement aboutir à cette relation."

Plaques tectoniques

Cependant, l'équipe a également découvert que la relation entre la taille et la fréquence des changements entre les volcans dans différentes régions. Le professeur Caricchi pense que cela est dû aux différences de géométrie des plaques tectoniques dans chaque zone. "Nous pouvons voir que la vitesse à laquelle une plaque s'enfonce en dessous d'une autre, et aussi l'angle de subduction, semblent jouer un rôle important dans la définition de la fréquence et de l'ampleur d'une éruption résultante, ", a-t-il déclaré. L'équipe commence maintenant à incorporer ces nouvelles informations dans leur modèle.

Être capable de prédire la fréquence et l'ampleur des futures éruptions à l'aide d'un modèle pourrait aider à mieux évaluer les dangers. Au Japon, par exemple, l'un des pays avec les volcans les plus actifs, connaître la probabilité de futures éruptions de différentes tailles est important pour décider où construire des infrastructures telles que des centrales nucléaires.

Il est également inestimable dans les zones densément peuplées, comme à Mexico, qui est entouré de volcans actifs, dont Nevado de Toluca. Le professeur Caricchi et ses collègues ont étudié ce volcan, qui n'a pas éclaté depuis environ 3, 000 ans. Ils ont découvert qu'une fois l'activité magmatique redémarrée, il faudrait environ 10 ans avant qu'une grande éruption puisse potentiellement se produire. Cette connaissance empêcherait Mexico d'être évacuée si les premiers signes d'activité étaient repérés.

"Une fois l'activité redémarrée, vous savez que vous avez dix ans pour suivre l'évolution de la situation, " a déclaré le professeur Caricchi. " (Les gens) sauront maintenant un peu plus à quoi s'attendre. "