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Volcans : les mystères de l'île de Satsuma Iwojima

  • Posté le : Jeudi 1 Avril 2004
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  • par : J. Bourdet
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  • Expert : F. Le Guern
  • Actualisé le : Mardi 13 Mai 2008
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Elle dégage chaque jour autant de gaz toxiques que des centaines d'usines. Et personne ne le lui reproche ! Au contraire. L'île mystérieuse de Satsuma Iwojima, au sud du Japon, attire les scientifiques du monde entier. Son volcan réserve, en effet, bien des surprises. On y trouve même de l'or.

Volcan Satsuma IWojimaChaque jour le volcan émet des tonnes de gaz : dioxyde de soufre, chlore, fluor, etc.
© François le Guern

Les colères du volcan de l'île de Satsuma Iwojima, au sud du Japon, sont redoutables ! Il y a 6 300 ans, lors d'une éruption, il a ravagé l'île voisine de Kyushu. Toujours actif, ce volcan est aujourd'hui considéré comme "calme". Cent cinquante habitants vivent à ses pieds de culture et de pêche. En japonais Iwojima signifie "l'île de soufre". Pendant longtemps, on exploitait ce minéral dans le cratère du volcan.

Aujourd'hui, le volcan est "l'enfant chéri" des chercheurs. Pourquoi ? "C'est le seul qui permet d'approcher sans trop de danger des fumerolles qui sortent parfois du cratère à une température de plus de 800 degrés ! Mieux : le volcan est également actif sous la mer. Une aubaine pour les volcanologues. Plus besoin de courir le monde pour effectuer leurs études sur les gaz et les eaux émanant de sources hydrothermales. Ils leur suffit de plonger au pied du volcan », explique François le Guern. Ce géochimiste qui a longtemps travaillé au Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement à Gif-sur-Yvette (unité mixte CNRS et CEA) est un habitué du lieu.


Des recherches qui trouvent leur application dans l'industrie

Quel est l'intérêt d'aller recueillir les gaz émis par le Satsuma Iwojima ? "Les gaz recueillis à la sortie du cratère, par exemple, fournissent de précieux renseignements pour prévoir les modifications d'activité du volcan", affirme François le Guern.

Flancs du du Satsuma IwojimaLes bords du cratère sont couverts de soufre, et pendant longtemps, les habitants de l’île ont vécu de son exploitation.
© François le Guern
Ce n'est pas tout : chaque jour, le Satsuma Iwojima déverse dans l'atmosphère quelque 620 tonnes de dioxyde de soufre, 135 de chlore et 9 de fluor, auxquelles s'ajoutent des tonnes de silice, d'alumine et de fer rejetées par les sources hydrothermales. La logique voudrait qu'il n'y ait ni végétaux, ni poissons, ni coraux aux abords du volcan. Et pourtant, tous répondent présents et se portent à merveille. Par quel mystère se sont-ils adaptés ? C'est un sujet sur lequel les scientifiques s'interrogent.

Champion toutes catégories des rejets de gaz toxiques, Satsuma Iwojima a également permis de mieux comprendre la chimie du soufre. Une progression des connaissances qui débouche sur des applications bien concrètes, notamment dans l'industrie. Ainsi, à présent, on sait produire du soufre et des hydrocarbures à moindre coût, tout en réduisant la pollution.

Le trésor caché

Autre curiosité : le Satsuma Iwojima produit un kilo d'or par an et, ce, depuis des milliers d'années ! Hélas, ce trésor est inexploitable : il est enfoui dans les entrailles du volcan, qui abritent également plomb, étain, zinc et cobalt. Mais le volcan offre d'autres précieuses ressources : les informations qu'il fournit aux chercheurs leur servent à prospecter des filons d'or, de plomb et de cobalt ailleurs dans le monde…

Aller interroger ce volcan se mérite. Comptez 700 mètres d'escalade puis, une fois parvenu au bord du cratère, vous naviguez dans un épais brouillard de gaz acides qui brûlent la gorge et corrodent les appareils de mesures. Les conditions d'exploration du Satsuma Iwojiwa sous la mer sont, elles, beaucoup plus clémentes…

01.Une diversité géologique étonnante

Rares sont les volcans qui se prêtent aussi bien à une étude approfondie de leur fonctionnement interne. Le Satsuma Iwojima est l'un de ceux-là. L'île volcanique, située au sud de l'archipel japonais, est un paradis pour les volcanologues : prélèvements de gaz dans le cratère du volcan actif, collecte des dépôts solides formés par la condensation des gaz à différentes températures, étude des sources hydrothermales et des fumerolles sous-marines, le tout sur un même site ! Une aubaine pour les scientifiques qui, pour recueillir autant d'éléments, doivent d'habitude prélever des échantillons sur plusieurs volcans différents et donc plusieurs sites.

satsuma2Schéma de la subduction
© Banque des Savoirs


Le lieu a de quoi surprendre. Sur une superficie d'un peu moins de douze kilomètres carrés, l'île présente une diversité géologique étonnante. L'activité volcanique qui y règne est le résultat de la subduction : poussée vers l'Ouest, la plaque pacifique qui plonge sous laplaque eurasienne a entraîné frottements, réchauffements et fusions de rochesresponsables également de séismes. C'est ce phénomène qui a créé toutl'archipel nippon, mais aussi les Philippines et l'Indonésie.

Le Satsuma Iwojima a progressivement grandi, il y a 15 000 à 20 000 ans avant d'émerger. Il y a 6 300 ans, une énorme éruption pulvérise le volcan et ravage l'île de Kyushu toute proche. Vidée de son contenu, la partie supérieure du réservoir magmatique s'effondre sur elle-même et forme une caldeirasous-marine. Quelques morceauxd'îles subsistent sur le bord de cette caldeira,dont le Satsuma Iwojima.
Le port au pied du Satsuma IwojimaL’eau du port tient sa couleur rouge du fer des roches basaltiques qu’elle traverse dans le sous-sol de l’île.
© François le Guern
Depuis, l'activité volcanique n'a pas cessé : des dômes de lave ont grandi sous la mer. Le plus grand est l'Iwodake, calme mais actif depuis plus de 3 000 ans. Il culmine à 700 mètres d'altitude et ses pentes sont raides car elles ont été construites par une lave visqueuse, la rhyolite. Chaque année, de nouvelles fissures et de nouvelles fumerolles modifient son cratère. En 1934, à trois kilomètres à l'est de l'île principale, un petit dôme, Shin Iwojima, est sorti de l'eau. Il offre aux géologues des échantillons de gaz et d'eaux chaudes volcaniques. L'Inamouradake, actuellement éteint, s'est formé il y a près de 4 000 ans. Sur l'île, c'est le seul cône en basalte, une lave très fluide que l'on observe dans les couches géologiques formées avant la caldeira.

Les volcanologues japonais ont fait du Satsuma Iwojima leur "volcan-laboratoire". Géophysiciens, géologues, géochimistes, magmatologues, tous apportent leurs compétences pour avoir une vision globale du volcan. Celle-ci passe d'abord par l'étude de ses gaz. En effet, comme l'explique François Le Guern, ingénieur de recherche au CNRS, au Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE) à Gif-sur-Yvette jusqu'en 2008 : "Ce sont les gaz volcaniques qui sont à l'origine de la violence des éruptions. Dans le sol, ils transforment les roches et produisent des minéraux en se refroidissant. Dans l'air, ils constituent des particules qui modifient la chimie de l'atmosphère. Ils ont donc eu un impact non négligeable sur le climat et sur les êtres vivants."

Les gaz volcaniques sont un mélange complexe émis par le magma en profondeur. Certains gaz comme le soufre, le fluor ou le sodium réagissent facilement. Au cours de leur refroidissement, ils se combinent entre eux, se condensent et altèrent alors les roches. Collectés en surface puis analysés, ils renseignent les scientifiques sur leur parcours. D'autres, très peu réactifs, dévoilent leur origine. Ainsi, l'analyse de l'hélium récolté sur la petite île de Shin Iwojima a montré qu'elle était alimentée par le même réservoir magmatique que le grand cratère d'Iwodake.

Pour calculer le débit journalier de la vingtaine d'éléments chimiques identifiés dans les fumerolles, les volcanologues mesurent à distance la quantité de dioxyde de soufre rejeté par le volcan. Grâce à la radioactivité des gaz et des particules émises par le panache du volcan, ils peuvent connaître le temps qu'a mis le gaz magmatique pour atteindre la surface et même calculer le volume de magma qui dégaze quotidiennement.

02.Des fumerolles chaudes à plus de 800°C

Vapeurs d'eau et de gaz au Satsuma IwojimaAu bord du cratère, les vapeurs d’eau et de gaz acides provoquent un brouillard toxique.
© François le Guern
Le Satsuma Iwojima est exceptionnel car c'est l'un des seuls volcans où l'on peut approcher de si près et sans réel danger des fumerolles aussi chaudes. Au fond du cratère, les vapeurs atteignent à certains endroits plus de 800 °C, signe qu'elles ne se sont pratiquement pas refroidies entre le réservoir et la surface. Mais la collecte des échantillons se mérite. L'ascension des 700 mètres du dôme effectuée, il faut descendre dans le cratère et se munir d'un masque à gaz tellement l'atmosphère est irrespirable. Les gaz volcaniques qui contiennent plus de 90 % de vapeur d'eau et de gaz acides se condensent et forment un brouillard épais et toxique. La visibilité est parfois réduite à quelques centimètres. On comprend pourquoi les volcanologues qui étudient les gaz volcaniques sont si peu nombreux : une centaine, regroupés au sein de la Commission de la chimie des gaz volcaniques (commission on the chemistry of volcanic gases). Ils se réunissent tous les trois ans dans le cratère d'un volcan actif afin de comparer leurs méthodes d'échantillonnage et de les standardiser.

Une fois sur place, les scientifiques disposent dans le sol, directement là où sortent les gaz, des tubes en silice ou en titane, plus résistants à la chaleur que le verre. Des capteurs de température sont disposés sur les tubes de silice.

L'extrémité du tube est reliée à une ampoule de verre remplie de soude. Les gaz acides se diluent dans la soude. Restent alors les gaz non solubles (azote, argon, oxyde de carbone, hydrogène, méthane) qui occupent l'espace laissé libre par les gaz dilués. On peut récolter ainsi un volume de gaz beaucoup plus important que celui de l'ampoule. Utilisée par tous les géochimistes, cette méthode permet d'identifier en laboratoire les principaux éléments qui composent les gaz émis par le volcan. Mais elle ne renseigne pas sur les éléments mineurs comme les métaux (plomb, zinc, molybdène, cuivre…) et ne permet pas de reconstituer les réactions de formation des composés soufrés.

Modéliser la condensation des gaz volcaniques

Le Satsuma Iwojima au JaponLe Satsuma Iwojima culmine à 700 mètres d’altitude.
© François le Guern
Pour mieux comprendre la formation des gîtes métallifères et minéraux dans les fractures du sous-sol, François Le Guern a mis au point de nouveaux instruments. Un chromatographe de terrain qui permet d'analyser à chaud et sur place la composition du gaz avant que l'eau et le soufre ne se condensent (elle est alors très proche de la composition originale des gaz volcaniques). Autre instrument utilisé : un serpentin réfrigéré en verre qui collecte les métaux en dissolvant l'eau et les gaz volcaniques. Avec toutes ces données en poche, il devient possible de modéliser par ordinateur la composition, la température de condensation et la concentration des produits formés au cours du refroidissement. Les résultats obtenus sont comparés aux dépôts réellement récoltés sur la paroi du tube de silice. "C'est ainsi que nous avons pu reconstituer toute la chimie du soufre dans les gaz volcaniques", ajoute François Le Guern. Les méthodes mises au point pour mieux comprendre le volcan ont des applications dans l'industrie de distillation du soufre ou de raffinage d'hydrocarbures. Elles permettent de produire à moindre coût tout en réduisant la pollution.

03.Plongée dans les sources hydrothermales

Expérience au pied du Satsuma IwojimaRécupération d’eau et de gaz en provenance des sources hydrothermales.
© François le Guern
Souvent, les volcans sous-marins sont étudiés à plusieurs kilomètres de profondeur. Sur les volcans aériens, il est très rare de pouvoir relier les sources hydrothermales aux gaz magmatiques. Tandis que le Satsuma Iwojima offre cette chance aux chercheurs : il permet d'observer ces deux systèmes sur un même lieu. L'eau est partout présente dans le sous-sol du Satsuma Iwojima. Elle provient soit de l'eau de pluie, soit de la condensation de la vapeur d'eau des gaz volcaniques.

Dans l'eau, certains gaz se dissolvent. Et en particulier les gaz acides qui rongent les roches. Résultat : en circulant sous la terre, l'eau garde la trace des terrains qu'elle traverse. L'eau du port est ainsi colorée en permanence en rouge car l'eau s'est oxydée au contact du fer des roches basaltiques du cratère Inamouradake. Autour du Iwodake, l'eau est jaune clair, cette fois à cause de la présence dans le sol de silice et d'alumine. "Les effluents du volcan sont bien pires que ce qu'on pourrait tolérer d'une usine et pourtant, à Satsuma Iwojima, la vie marine semble s'être adaptée", note le géochimiste.

Sous l'eau, le fluide chaud, un mélange d'eau et de gaz, sort à de nombreux endroits à travers le plancher océanique. Les volcanologues plongent pour aller recueillir dans des entonnoirs en verre les bulles de gaz d'un côté et l'eau de l'autre. Les gaz ont une température plus faible que dans le cratère, mais ceux qui ne peuvent pas se dissoudre dans l'eau sont bien plus concentrés que sur terre et révèlent plus d'informations sur leur origine.

À terme, l'étude du volcan sur terre et sous l'eau permettra d'avoir une meilleure connaissance du fonctionnement interne de cette machine thermique qui produit chaque jour en moyenne 620 tonnes de dioxyde de soufre, 135 de chlore et 9 de fluor dans son panache et des quantités impressionnantes de silice, d'alumine et de fer dans l'océan. Ce qui se joue également, c'est une estimation plus fine de l'impact d'un volcan sur son environnement. Les gaz soufrés et les gaz acides ne sont pas sans effet sur la végétation, le gaz carbonique a un rôle majeur sur le climat puisque c'est l'un des principaux gaz à effet de serre.

Quant à savoir si l'étude des gaz permettra un jour de dire quand le volcan entrera en éruption, c'est une question plus délicate. Pour François Le Guern en tout cas, "on peut seulement déterminer si le volcan s'agite plus. Prévoir une catastrophe avec précision n'est pas possible." Le regain d'activité du volcan se manifeste d'ailleurs souvent par l'éjection de cendres et l'apparition de tremblements de terre de faible intensité. Mais les habitants y sont habitués, eux qui doivent compter aussi avec les tsunamis (raz de marée) et les séismes violents. Leur évacuation ne poserait pas de problème car ils s'y sont préparés. Même s'ils vivent coupés du volcan dont le cratère est interdit, ils ne quitteraient pour rien au monde leur île et ses eaux poissonneuses.

D'autres missions, entre 2004 et 2008, ont permis d'identifier des sources volcaniques marines indécelables, car sans manifestation de surface, notamment autour des îles comme FukueJima, au sud-ouest du Japon. "Nous avons également grâce à ces travaux revu l’appréciation concernant l'inactivité supposée des volcans d'Auvergne, explique François Le Guern. Et nous avons constaté que, contrairement à ce que l'on croyait, ils étaient toujours actifs, non pas en surface mais au niveau des nappes phréatiques souterraines."

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