Pourquoi certains dômes de lave génèrent-ils des explosions superficielles latérales très dévastatrices ?

Une étude menée sur plusieurs dômes de lave de par le monde a permis à des chercheurs de l'Institut de physique du globe de Paris (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité), de l'Institut des sciences de la Terre de Paris (CNRS, UPMC, SOrbonne Paris Cité) et de l'Université de Leeds d'expliquer l'explosivité superficielle dévastatrice de certains dômes de lave. Cette étude est parue dans la revue Nature Scientific Reports.

Les volcans qui produisent des magmas riches en silice et donc très visqueux, peuvent édifier des dômes de lave lorsqu'ils entrent en éruption. Ce phénomène est très fréquent pour les volcans des zones de subduction comme l'Unzen (Japon), Soufrière Hills (Montserrat), le Merapi (Indonésie), le Santiaguito (Guatemala) ou le Bezymianny (Kamchatka), connus pour leurs éruptions ces dernières décennies.


Dans quelques cas, les dômes de lave génèrent de violentes explosions dirigées latéralement; elles se produisent à la base du dôme en cours de croissance. Ce fut le cas à la Montagne Pelée (Martinique) le 8 mai 1902, lorsqu'une violente explosion dirigée latéralement vers le sud-ouest détruisit tout le flanc du volcan, alors que le dôme de lave n'avait débuté sa croissance que deux jours auparavant. La ville de St. Pierre située à 5 km du sommet fut rasée et ses 28000 habitants tués. L'origine de ces explosions superficielles dévastatrices a toujours été débattue, sans être vraiment expliquée.

L'étude menée par l'équipe sur les éruptions de 1902-1905 et de 1929-1932 de la Montagne Pelée, de Soufrière Hills, du Santiaguito, de l'Unzen , mais aussi les dômes de lave de la Chaîne des Puys (Puy de Dôme, Puy Chopine) a comparé deux types de comportement au cours de la croissance de dômes de lave. Il s'agit d'une part, des éruptions qui, au cours de leur déroulement, produisent de simples écroulements dus à l'instabilité de certaines parties du dôme de lave en cours de croissance. Ces écroulements donnent lieu à des écoulements de cendres et blocs (écoulements pyroclastiques). Le moteur est la gravité. Ces écoulements se canalisent dans les vallées et si leur effet destructeur est grand, il est spatialement limité.

D'autres éruptions s'accompagnent d'explosions superficielles latéralement dirigées qui génèrent des écoulements pyroclastiques dilués et turbulents, extrêmement dévastateurs, se propageant sur de grandes superficies. Ce type d'explosion se produit à la base du dôme de lave en cours de croissance et toute l'énergie de l'explosion est concentrée dans une seule direction, ce qui augmente l'effet destructeur des écoulements associés. L'éruption de 1902 de la Montagne Pelée en est un exemple de référence.

Ces chercheurs ont analysé la composition et la texture d'échantillons prélevés dans plusieurs dépôts d'écoulements pyroclastiques associés à ces deux types d'éruption ainsi que sur les dômes de lave correspondants. Ils ont constatés que les quantités et tailles de vésicules et de microcristaux de ces échantillons étaient très différentes selon leur provenance.

Les fragments liés aux écroulements de dôme sont très dégazés, peu poreux (faible vésicularité) et présentent beaucoup de microcristaux. Les fragments provenant des explosions superficielles sont plus diversifiés. Ils peuvent être peu dégazés et montrer des vésicularités proches des ponces d'éruptions pliniennes sans microcristaux, alors que d'autres sont très dégazés, ont une faible vésicularité et une forte microcristallinité. Ils ont observé, de plus, que les fragments les moins vésiculés contenaient en abondance des précipitations de silice (cristobalite) remplissant les vides et vésicules et diminuant ainsi la vésicularité.

A partir de ces données, ces chercheurs proposent un nouveau modèle de l'explosivité des dômes de lave. Les magmas qui arrivent en surface et génèrent des dômes de lave sont généralement très dégazés, cristallisés et donc très visqueux. Ils ont perdu leur gaz au cours de la remontée dans des conduits probablement perméables ou au travers de la colonne de magma ascendante. Les circulations de gaz magmatiques qui en découle sont riches en silice. Elles entraînent la précipitation de silice (cristobalite) lorsque la température décroit en dessous de 400°C, c'est-à-dire dans la périphérie du dôme en cours de croissance. La faible vésicularité associée à la forte microcristallinité et la précipitation de cristobalite a pour effet de former sur la périphérie du dôme une carapace plus ou moins imperméable. Cette carapace peut être totalement imperméable en début d'éruption, lorsque le dôme de lave est de petite dimension, car ce dernier est peu fracturé. De ce fait, du magma moins dégazé se trouve isolé dans le dôme de lave et est responsable d'une surpression à l'origine de l'explosion superficielle. Lorsque le dôme de lave grossit, il se fracture et la carapace perd son caractère imperméable. De plus il exerce une charge que la surpression de la partie non dégazée ne peut vaincre limitant ainsi l'explosivité.

En utilisant la diffusion intracristalline du titane dans les magnétites contenus dans ces échantillons, ils ont montré que le magma dégazé qui forme la carapace du dôme a un temps d'ascension beaucoup plus long (de l'ordre de la centaine de jours) que le magma non dégazé qui est piégé à l'intérieur du dôme de lave (de l'ordre de la dizaine de jours).

Ces résultats ont des conséquences en termes de prévention des risques pour les futures éruptions à dôme car ils montrent que seuls les dômes de lave de petite taille, en début de croissance ont une potentialité explosive.