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Ce bouillonnement au cœur des volcans

Les volcans cachent un univers en perpétuel mouvement, où l’eau et le feu cohabitent en un fragile équilibre, qu'on appelle le système hydrothermal. Il joue un rôle très important dans le comportement des volcans. Une méthode simple permet de le localiser et de le comprendre, comme nous l'explique le chercheur Anthony Finizola, membre de l'association Planet Risk.

Le volcan MistiVue du volcan Misti situé au Pérou. Un important travail sur les fluides hydrothermaux y a été réalisé.
© D.R.

À l'intérieur des volcans, l'eau et le feu cohabitent. Leur interaction génère une circulation de fluides chauds et acides, qui forment les systèmes hydrothermaux. On peut parfois en observer l'une des manifestations : ce sont ces fumées blanches - fumerolles - qui s'échappent de la surface lorsque le temps s'y prête.

Les systèmes hydrothermaux constituent un des éléments clés dans l’analyse du comportement d’un volcan. Les localiser permet de connaître les zones de fragilité maximale de l'édifice. Observer leurs modifications donne d'importantes indications sur les risques en profondeur. Ils permettent, par exemple, d'identifier des signes précurseurs d’éruptions volcaniques.

Les scientifiques tentent donc de mieux cerner le rôle des systèmes hydrothermaux dans le comportement parfois imprévisible des volcans. Plusieurs méthodes permettent de localiser ces fluides. L'une d'elles, dite "de polarisation spontanée" – elle permet de mettre en évidence la polarisation du sol - a l'avantage d'être très simple et de donner de très bons résultats. Elle a permis d'établir une carte du système hydrothermal du Misti, un volcan péruvien responsable par le passé de plusieurs catastrophes, et de montrer qu'une zone importante de cet édifice était fragilisée. Une situation d'autant plus préoccupante que le Misti se trouve tout près du centre ville d'Arequipa, deuxième ville péruvienne, où vivent près d'un million de personnes.

01.Des indicateurs de catastrophes

Circulation des fluides dans un volcanSchéma illustrant la circulation des fluides au sein d’un volcan.
© A.Finizola
Pour comprendre le rôle des systèmes hydrothermaux, il faut d'abord comprendre de quoi ils sont formés. À la surface, les eaux de pluie – dites météoriques - s’infiltrent dans les volcans jusqu’à quelques centaines de mètres. En profondeur, près de la dernière poche de magma, ces eaux s’acidifient en absorbant les gaz magmatiques (tels que dioxyde de carbone, dioxyde de soufre, acide chlorhydrique…). Elles augmentent leur température, parfois jusqu'à l’ébullition. Ces fluides remontent alors sous forme de vapeur. En surface, quand les conditions le permettent, cette eau forme des fumerolles ou bien elle se condense sous la surface pour s’infiltrer à nouveau en profondeur (voir schéma).

Ces circulations de fluides chauds et acides, qui forment les systèmes hydrothermaux, fragilisent l'intérieur des volcans, car elles altèrent les roches en argile pendant leur parcours. Savoir où se trouvent ces fluides est donc d’un intérêt majeur pour connaître les zones de fragilité maximale d’un édifice volcanique. La faible cohésion de ces zones peut en effet conduire à un lent étalement des volcans sous leur propre poids. Un séisme, ou l’arrivée de magma en profondeur, associés à un tel état de fragilité pendant une crise volcanique, peut aboutir à la déstabilisation catastrophique de tout un flanc du volcan.

Par ailleurs, l’altération produite par les systèmes hydrothermaux, via des processus de dissolution - recristallisation, risque de perturber la circulation des fluides dans l’édifice. Ainsi, si une zone hydrothermale interagit avec le magma, des phénomènes très explosifs peuvent se produire (dynamismes phréatiques ou phréato-magmatiques). Surveiller les systèmes hydrothermaux est également essentiel pour identifier des signes précurseurs d’éruptions volcaniques, car ces systèmes enregistrent en général les premières perturbations liées à des mouvements géologiques et/ou à l'arrivée de magma en profondeur.

02.L'historique méthode PS

La Matériel de terrain utilisé pour réaliser des mesures en polarisation spontanée (PS).
© A.Finizola
Parmi les diverses techniques permettant d’étudier les systèmes hydrothermaux, la méthode de polarisation spontanée (ou PS) est sans aucun doute la plus simple. De quoi s'agit-il ? L'objectif est d'étudier les différences de potentiel électrique naturel qui existent dans le sol. En contexte volcanique, la création d’une différence de potentiel dans le sol provient d'un phénomène électrocinétique : lorsqu’un fluide circule dans un milieu poreux solide, le mouvement relatif entre la phase solide et la phase liquide crée un champ électrique. On mesure donc le champ électrique généré par le sol, qui fonctionne comme une pile électrique. La méthode est facile à mettre en oeuvre et l'attirail léger : un voltmètre, une paire d'électrodes impolarisables et des câbles électriques de liaison (photo). La grandeur mesurée est une tension, elle s’exprime donc en volts ou le plus souvent en millivolts.

Cette méthode a d'abord été inventée et utilisée pour des applications dans le domaine de la prospection minière. Elle provient d'expériences menées par l’anglais Fox sur des gîtes métallifères, en 1830. Mais le dispositif de départ avait des défauts. Il est progressivement amélioré, et ce n’est qu’en 1920, grâce à Schlumberger, que la méthode devient un véritable outil de prospection minière, puis pétrolière. La PS se diversifie ensuite avec des applications en hydrogéologie dès la fin des années soixante. L’objectif est alors de localiser les zones de circulation préférentielle d'eaux souterraines. Parallèlement, au cours des grands projets de recherche géothermique des années soixante-dix et quatre-vingts, des scientifiques mettent en évidence des anomalies PS de grande amplitude. Plus récemment, les spécialistes de la surveillance volcanologique se sont intéressés aux potentialités de la PS pour détecter des variations de la circulation des fluides. Les chercheurs espèrent ainsi identifier de nouveaux signes précurseurs d'éruptions volcaniques ou de tremblements de terre.

D’autres propriétés physiques peuvent être utilisées pour localiser, en surface ou en 2 voire 3 dimensions, les circulations de fluides hydrothermaux. On peut étudier la température des roches à la surface (thermométrie par imagerie et cartographie au sol) ou le mouvement des fluides par le biais de la sismologie. On étudie aussi les propriétés électriques conductrices des fluides par diverses méthodes d'investigation géoélectrique qui permettent de mesurer la difficulté plus ou moins grande pour un courant électrique de traverser un corps (résistivité). Dernière approche : l'étude de la perméabilité du sous-sol en analysant les remontées de gaz, le plus souvent le dioxyde de carbone (CO2), second gaz magmatique après la vapeur d’eau.

C’est par le couplage de l’ensemble de ces techniques que l’on peut avoir la meilleure vision d’ensemble des processus de circulation et d’altération hydrothermale au sein des volcans. Une étape fondamentale pour mieux prévenir les catastrophes.

03.Le volcan Misti, au sud du Pérou

Ville d’ArequipaLe centre ville d’Arequipa, seconde ville du Pérou (environ 900.000 habitants), se trouve à seulement 17 km du sommet du volcan Misti.
© A.Finizola
L’exemple du volcan Misti, au sud du Pérou, est un cas d’école pour comprendre comment les circulations hydrothermales génèrent un signal de "polarisation spontanée".

Les volcans du Pérou sont localisés exclusivement au sud du pays. Dans cette région densément peuplée, deux volcans présentent des signes externes d’activité et préoccupent par leur proximité avec des centres urbanisés : le Misti et l’Ubinas. Le volcan Misti culmine à 5822 mètres. Son sommet se situe à 17 km au nord-est de la ville d’Arequipa, seconde ville du Pérou, qui compte 900 000 habitants (photo). Arequipa s’est étendue au cours des dernières années de manière démesurée en direction du volcan, avec de nouveaux quartiers qui se sont construits à moins de 13 km du sommet. Une caractéristique tout à fait stupéfiante est le dénivelé qui existe entre le sommet du volcan et le centre ville situé à 2300 m d’altitude. Au cas où une éruption surviendrait, émettant une violente nuée ardente, ces 3500 m de dénivelé qui séparent le sommet du centre ville, influenceront l’énergie et l’étendue des produits qui s’épancheront sur les flancs du Misti.

Les études géologiques réalisées sur ce volcan ont montré qu’il possède deux cycles de récurrence : les éruptions pliniennes (les plus violentes) reviennent tous les 2000 ans et les éruptions d’une moindre intensité tous les 500 ans environ. Or la dernière éruption plinienne du Misti s’est produite il y a environ 2000 ans. On s'approche donc dangereusement de la fin d'un cycle. Le Misti a également connu en 1454 une activité explosive notable qui couvrit la zone d’Arequipa sous 1 cm de cendre. Plus récemment, le Misti a manifesté d’importantes crises fumeroliennes visibles depuis la ville d’Arequipa, en 1985 et en 2001, montrant bien ainsi la persistance de son activité et la menace potentielle qu’il fait peser sur la ville.

Vue en 3D du volcan MistiVisualisation en 3D du relief du volcan Misti sur lequel a été drapée la carte obtenue à partir des mesures en polarisation spontanée. Les pointillées rouges représentent le minimum de polarisation spontanée séparant le système hydrogéologique dans la partie basse de l’édifice, du système hydrothermal présent dans la partie supérieure de ce dernier.
© A.Finizola
La morphologie révèle des flancs partiellement effondrés. Le sommet du Misti est formé dedeux cratères emboîtés, de respectivement 900 et 550 mètres de diamètre, dont le plus petit contient un dôme de lave. De ce dernier s'échappent de nombreuses fumerolles, qui dépassent en température 200 °C.


04.Le suivi du Misti

Afin de mieux comprendre la circulation actuelle des fluides au sein de ce volcan, un important travail de cartographie a été entrepris par le biais de la méthode PS décrite précédemment (chapitre 2). Les mesures couvrent un total de 187 km, rayonnant depuis le sommet, à 5822 m d’altitude, jusque dans les parties basses de l’édifice, vers 3000 m d’altitude. La carte PS obtenue montre une nette subdivision du volcan en deux parties, située à une altitude d’environ 4200-4400 m tout autour de l’édifice.

Cette limite correspond à une importante transition au sein du Misti. Dans sa partie inférieure, au fur et à mesure que l’on prend de l’altitude, la différence de potentiel diminue. Il existe donc une relation liant l’altitude et la différence de potentiel. Cette relation, très utilisée en hydrogéologie, s’explique par la présence d’infiltration d’eau de pluie dans le sol, par l’effet d’électrofiltration et par le drainage de charges positives depuis la surface jusqu’à la nappe phréatique. En s’éloignant de la surface de la nappe phréatique on s’éloigne de l’excédent de charges positives. En conséquence, le signal diminue. En revanche, dans la partie haute de l’édifice, en s’approchant des cratères sommitaux, l’évolution des valeurs PS s’inverse. Cette transition brutale reflète non plus un mouvement descendant, mais un mouvement ascendant des fluides. Les fluides sont alors un mélange de gaz et de liquides à haute température.

Cette limite correspond à l’extension latérale du système hydrothermal. Ainsi, à l’altitude d’environ 4200-4400 m, l’énergie thermique fournie par le magma et l’infiltration d’eau météorique est suffisante pour entretenir sur le Misti un système hydrothermal de 6 km de diamètre, centré sur le dôme fumerolien. La cartographie de cette zone permet de tirer une conclusion inquiétante: du fait de ces circulations de fluides à haute température, cette zone de presque 30 km2 présente une altération avancée et peut être sujette à des phénomènes de déstabilisation. Depuis le 18 octobre 2005, un réseau de 5 stations de surveillance sismique vient d’être inauguré sur le Misti par l’Institut géophysique du Pérou (IGP), en collaboration avec l’Institut de recherche pour le développement (IRD) français, afin d’enregistrer les moindres variations d’activité de ce volcan, et de prendre à temps toutes les mesures de protection de la population si un danger d'éruption se précisait.

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