Le dioxyde de carbone, pas l'eau, déclenche les éruptions volcaniques explosives basaltiques

7 août 2023

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par l'Université Cornell

Les géoscientifiques pensent depuis longtemps que l'eau, ainsi que le magma peu profond stocké dans la croûte terrestre, poussent les volcans à entrer en éruption. Maintenant, grâce aux outils de recherche nouvellement développés à Cornell, les scientifiques ont appris que le dioxyde de carbone gazeux peut déclencher des éruptions explosives.

Un nouveau modèle suggère que les volcans basaltiques, généralement situés à l'intérieur des plaques tectoniques, sont alimentés par un magma profond dans le manteau, stocké à environ 20 à 30 kilomètres sous la surface de la Terre.

La recherche, qui offre une image plus claire de la dynamique interne profonde et de la composition de notre planète, avec des implications pour l'amélioration de la planification des risques volcaniques, est publiée le 7 août 2023 dans les Actes de l'Académie nationale des sciences.

"Nous avions l'habitude de penser que toute l'action se passait dans la croûte", a déclaré l'auteur principal Esteban Gazel, professeur Charles N. Mellowes en ingénierie au Département des sciences de la Terre et de l'atmosphère, à Cornell Engineering. «Nos données impliquent que le magma provient directement du manteau, passant rapidement à travers la croûte, entraîné par l'exsolution (la phase de processus de séparation du gaz du liquide) du dioxyde de carbone.

"Cela change complètement le paradigme de la façon dont ces éruptions se produisent", a déclaré Gazel. «Tous les modèles volcaniques avaient été dominés par l'eau en tant que principal moteur d'éruption, mais l'eau n'a pas grand-chose à voir avec ces volcans. C'est le dioxyde de carbone qui amène ce magma des profondeurs de la Terre.

Il y a environ quatre ans, Gazel et Charlotte DeVitre, Ph.D. '22, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Californie à Berkeley, a développé un densimètre de dioxyde de carbone de haute précision (qui mesure la densité dans un petit récipient) pour la spectroscopie Raman (un appareil qui examine les photons diffusés à travers un microscope).

Les échantillons naturels - des bulles riches en dioxyde de carbone de taille microscopique piégées dans des cristaux émanant de l'éruption volcanique - sont ensuite mesurés via Raman et quantifiés à l'aide du densimètre nouvellement développé. Essentiellement, les scientifiques examinent une capsule temporelle microscopique pour fournir un historique du magma. Cette nouvelle technique est essentielle pour des estimations précises en temps quasi réel du stockage de magma, testées lors de l'éruption de 2021 à Las Palmas, aux îles Canaries par le groupe de Gazel.

En outre, les scientifiques ont développé des méthodes pour évaluer l'effet du chauffage au laser sur les inclusions riches en dioxyde de carbone (trouvées enveloppées dans les cristaux) et pour évaluer avec précision les inclusions de fusion et les volumes de bulles. Ils ont également développé une méthode de réchauffage expérimentale pour augmenter la précision et tenir compte correctement du dioxyde de carbone piégé sous forme de cristaux de carbonate à l'intérieur des bulles.

"La méthode de développement et la conception des instruments étaient difficiles, en particulier au plus fort de la pandémie", a déclaré Gazel.

À l'aide de ces nouveaux outils, les scientifiques ont scruté les dépôts volcaniques du volcan Fogo au Cabo Verde, à l'ouest du Sénégal dans l'océan Atlantique. Ils ont trouvé une forte concentration de composés volatils dans les micro-inclusions fondues enfermées dans les cristaux de silicate de magnésium et de fer. La plus grande quantité de dioxyde de carbone contenue dans les cristaux suggérait que le magma était stocké à des dizaines de kilomètres sous la surface, dans le manteau terrestre.

Le groupe a également découvert que ce processus est lié à la source profonde du manteau qui alimente ces volcans.

Cela implique que des éruptions telles que les flambées volcaniques de Fogo commencent et sont alimentées par le manteau, contournant efficacement le stockage dans la croûte terrestre et entraînées par le dioxyde de carbone profond, selon l'article.

"Ces magmas ont des viscosités extrêmement faibles et proviennent directement du manteau", a déclaré DeVitre. «Ainsi, ici, la viscosité et l'eau ne peuvent pas jouer les rôles communs qu'elles jouent dans les systèmes volcaniques moins profonds et / ou plus siliciques (riches en silice). Au volcan Fogo, le magma doit être entraîné rapidement par le dioxyde de carbone, ce qui joue probablement un rôle important dans son comportement explosif. C'est une étape majeure dans notre compréhension des contrôles de l'explosivité basaltique.

Comprendre le stockage du magma aide à mieux préparer la société aux futures éruptions, a déclaré Gazel, qui est également membre du corps professoral du Cornell Atkinson Center for Sustainability.

«Comme le stockage profond de magma ne sera pas détecté par la déformation du sol tant que la fonte n'est pas proche de la surface», a-t-il déclaré, «cela a des répercussions importantes sur notre compréhension des risques volcaniques. Nous devons comprendre les moteurs de ces éruptions. La seule façon de voir ces processus maintenant est d'observer les tremblements de terre, mais les tremblements de terre ne vous disent pas exactement ce qui se passe.

Selon Gazel, "Avec des mesures précises qui nous indiquent où commencent les éruptions, où les magmas fondent et où ils sont stockés - et ce qui déclenche l'éruption - nous pouvons développer un bien meilleur plan pour les futures éruptions."