Le 30 avril, 2018, sur le flanc est du volcan Kīlauea à Hawaï, la lave s'est soudainement drainée d'un cratère qui crachait de la lave depuis plus de trois décennies. Puis le fond du cratère, nommé Pu'u'ō'ō, abandonné.

Dans les 48 heures, le lac de lave au sommet du Kīlauea à 12 miles au nord-ouest de Pu'u'ō'ō a commencé à tomber alors que le magma s'écoulait dans la plomberie du volcan. Bientôt, de nouvelles fissures se sont ouvertes à 12 miles à l'est de Pu'u'ō'ō et de la lave en fusion a jailli, s'est glissé sur les routes, arbres brûlés et poteaux électriques incendiés.

Sur trois mois, Kīlauea a craché assez de lave pour en remplir 320, 000 piscines olympiques, détruit plus de 700 maisons et déplacé des milliers de personnes. Le paysage du sommet lui-même a été transformé lorsque son cratère s'est effondré jusqu'à 1, 500 pieds tout au long de l'été d'une manière que les scientifiques commencent seulement à comprendre.

"Au cours des 60 années d'instrumentation géophysique moderne des volcans, nous n'avons eu qu'une demi-douzaine d'effondrements de caldeira, " a déclaré le géophysicien de l'Université de Stanford Paul Segall, auteur principal d'une nouvelle étude sur Actes de l'Académie nationale des sciences cela aide à expliquer comment ces événements se déroulent et trouve des preuves confirmant le paradigme scientifique en vigueur sur le fonctionnement de la friction sur les failles sismiques.

Les résultats peuvent aider à éclairer les futures évaluations des risques et les efforts d'atténuation autour des éruptions volcaniques. "Améliorer notre compréhension de la physique régissant les effondrements de caldeiras nous aidera à mieux comprendre les conditions dans lesquelles les effondrements sont possibles et à prévoir l'évolution d'une séquence d'effondrement une fois qu'elle a commencé, " a déclaré le co-auteur Kyle Anderson, doctorat '12, un géophysicien du U.S. Geological Survey qui faisait partie de l'équipe travaillant sur place à Kīlauea lors de l'éruption de 2018.

La nature du frottement

Un facteur clé contrôlant l'effondrement des caldeiras volcaniques et la rupture des failles sismiques dans le monde est la friction. C'est omniprésent dans la nature et dans notre vie de tous les jours, entrant en jeu chaque fois que deux surfaces se déplacent l'une par rapport à l'autre. Mais les interactions entre les surfaces sont si complexes que, malgré des siècles d'études, les scientifiques ne comprennent toujours pas complètement comment la friction se comporte dans différentes situations. "Ce n'est pas quelque chose que nous pouvons entièrement prédire en utilisant uniquement des équations. Nous avons également besoin de données d'expériences, " a déclaré Segall.

Les scientifiques cherchant à comprendre le rôle de la friction dans les tremblements de terre mènent généralement ces expériences dans des laboratoires en utilisant des dalles rocheuses à peine plus grandes qu'une porte et souvent plus proches de la taille d'un jeu de cartes. "L'un des grands défis de la science des tremblements de terre a été de prendre ces lois de friction et les valeurs trouvées en laboratoire, et les appliquer à, dire, la faille de San Andreas, parce que c'est un énorme saut d'échelle, " dit Segall, le professeur Cecil H. et Ida M. Green de géophysique à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement (Stanford Earth).

Dans la nouvelle étude, publié le 23 juillet Segall et Anderson examinent le glissement et le collage du bloc d'effondrement du volcan Kīlauea - un morceau de croûte de cinq milles à la ronde et un demi-mille de profondeur - pour caractériser la friction à une échelle beaucoup plus grande. "Nous avons entrepris de développer un modèle mathématique de cet effondrement, très simplifié, mais en utilisant la compréhension moderne de la friction, " a déclaré Segall.

L'effondrement du Kīlauea

La caldeira du Kīlauea ne s'est pas effondrée en une descente en douceur, mais plutôt comme un piston collant. Environ tous les jours et demi, le bloc d'effondrement a chuté de près de huit pieds en quelques secondes, puis s'est arrêté. C'est parce que le magma dans la chambre en dessous de la caldeira s'est répandu dans les fissures du flanc oriental inférieur du Kīlauea, il a emporté le support de la roche sus-jacente. "Finalement, la pression devient suffisamment faible pour que le sol tombe et qu'il commence à s'effondrer, comme un gouffre, " a déclaré Segall.

À la fin de l'éruption du Kīlauea en 2018, les événements d'effondrement en forme de piston du volcan se sont répétés 62 fois, chacun déclenchant un tremblement de terre et chaque mouvement suivi au millimètre près toutes les cinq secondes par un ensemble de 20 instruments du système de positionnement global (GPS). Au cours des quelques dizaines d'événements d'effondrement, la géométrie des surfaces rocheuses a changé, mais ils sont restés stables pour les 30 dernières descentes hésitantes.

La nouvelle recherche montre que pour ce type d'éruption, lorsque l'évent éruptif est à une altitude inférieure, cela entraîne une baisse de pression plus importante sous le bloc de la caldeira, ce qui rend alors plus probable le début d'un événement d'effondrement. Une fois l'effondrement amorcé, le poids du bloc massif de la caldeira maintient la pression sur le magma, le forçant sur le site de l'éruption. "Si ce n'est de l'effondrement, l'éruption aurait sans doute pris fin beaucoup plus tôt, " a déclaré Segall.

Frottement évolutif

L'analyse de Segall et Anderson de la mine de données de l'effondrement de la caldeira du Kīlauea confirme que, même à la vaste échelle de ce volcan, les façons dont différentes surfaces rocheuses glissent et glissent les unes sur les autres ou collent à différentes vitesses et pressions au fil du temps sont très similaires à ce que les scientifiques ont trouvé dans des expériences de laboratoire à petite échelle.

Spécifiquement, les nouveaux résultats fournissent une limite supérieure pour un facteur important de la mécanique sismique connu sous le nom de distance d'affaiblissement du glissement, que les géophysiciens utilisent pour calculer comment les failles se décollent. Il s'agit de la distance sur laquelle la force de friction d'une faille s'affaiblit avant de se rompre, ce qui est essentiel pour une modélisation précise de la stabilité et de l'accumulation d'énergie sur les failles sismiques. Des expériences en laboratoire ont suggéré que cette distance pourrait être aussi courte que des dizaines de microns, soit l'équivalent de la largeur d'un cheveu épissé en quelques dizaines de rubans, tandis que les estimations de vrais tremblements de terre indiquent qu'elle pourrait atteindre 20 centimètres.

La nouvelle modélisation montre désormais que cette évolution se fait sur 10 millimètres au maximum, et peut-être beaucoup moins. "Les incertitudes sont plus grandes qu'elles ne le sont en laboratoire, mais les propriétés de frottement sont tout à fait cohérentes avec ce qui est mesuré en laboratoire, et c'est très confirmant, " a déclaré Segall. " Cela nous dit que nous sommes d'accord pour prendre ces mesures à partir de très petits échantillons et les appliquer à de grandes failles tectoniques parce qu'elles se sont avérées vraies dans le comportement que nous avons observé lors de l'effondrement du Kīlauea. "

Le nouveau travail ajoute également une complexité réaliste à un modèle mathématique de piston, proposé il y a une décennie par le volcanologue japonais Hiroyuki Kumagai et ses collègues, pour expliquer un grand effondrement de caldeira sur l'île Miyake, Japon. Alors que le modèle Kumagai largement adopté supposait que les surfaces rocheuses du volcan avaient changé comme si un interrupteur passait de stationnaire l'une par rapport à l'autre à glissant l'un par rapport à l'autre, la nouvelle modélisation reconnaît que la transition entre les frottements « statiques » et « dynamiques » est plus complexe et graduelle. "Rien dans la nature ne se produit instantanément, " a déclaré Segall.