Précurseurs d'éruption volcaniques: un nouveau type de sismicité detecté

Une éruption volcanique est l'éjection à la surface de la Terre d'un mélange pressurisé de roches fondues (lave) et de gaz. La pression est le moteur de l'éruption:

- c'est elle qui provoque des contraintes trop intenses pour les roches et les fractures

- c'est elle qui oblige le magma à monter dans ces mêmes fractures

- c'est elle enfin qui propulse en l'air bombes, blocs et cendres, extrude les dômes, et exsude les coulées de lave.

Avant une éruption volcanique des signes précurseurs apparaissent de diverses manières. La sismicité augmente (c'est la phase de fracturation ci-dessus), le sol se déforme, des sources voient leur composition chimique changer, des gaz bleutés s'échappent du volcan, etc. Tous les signes ne sont pas toujours là en même temps mais il se passe toujours quelque chose et si on ne voit pas venir
une éruption, c'est généralement parce qu'il n'y a pas d'instruments de surveillance à proximité.

Une fois l'éruption démarrée, elle peut se dérouler de manière cyclique. Au Fuego (Guatemala), l'activité strombolienne reste normale pendant des semaines, puis en quelques heures elle monte en puissance et une ou des coulées apparaissent, puis tout se calme. Au Sakurajima, L'éruption alterne période de faibles activité éruptive (peu d'explosions, et peu violentes comme c'est le cas actuellement) et phases d'activité explosive violente avec des cendres sur Kagoshima (fin août 2013 par exemple). Même chose au Shiveluch qui, actuellement, voit le taux d'extrusion de ses coulées visqueuses faire le yoyo.

Bilan:
- une éruption peut fonctionner par cycles.

- dans ces cycles, il y a des signes précurseurs d'un nouveau cycle.

Or justement c'est dans cette dernière catégorie qu'un nouveau mécanisme source de la sismicité vient
probablement d'être mis en évidence.

Schéma sur l'origine de la sismicité: la pression créé la fracturation, la fracturation créé la sismicité.

L'étude a été réalisée par H.Buurman and M.E. West, géophysiciens spécialistes en monitoring sismique de l'Université de Faibanks, et est parue dans Geophysical Research Letter. 

La sismicité volcanique est un domaine d'une grande complexité dont l'objectif est de déduire, des signaux enregistrés à distance, les mécanismes qui les ont fabriqués, en surface comme en profondeur. Une fois les signaux caractérisés, associés à un mécanisme-source, il devient possible de les reconnaitre sur les enregistrements et donc de tenter de suivre ce qui se passe à l'intérieur d'un édifice.

Parmi les mécanismes sources déjà connus de la sismicité volcanique, citons à titre d'exemple:

- la fracturation

- la migration du magma, dont la friction contre les parois des fractures produit divers types de signaux, dont le trémor

- la cavitation, qui est la création d'un creux qui s'ouvre et se referme instantanément au coeur du liquide magmatique lorsqu'il fait un déplacement un peu brusque.

Tous ces signaux ont un point commun pour nous: ils se produisent en raison d'un comportement mécanique que l'on peut comprendre. On comprend que la friction produise une vibration (il suffit de poncer une planche pour s'en rendre physiquement compte), on comprend que la fracturation produise une vibration (c'est le craquement du bris d'une branche par exemple). 

Bon la cavitation est un peu moins facile à illustrer, mais quand votre robinet d'eau dysfonctionne et vibre avec un "clac" assez fort quand vous le fermez ou l'ouvrez brutalement, c'est dû à de la cavitation c'est à dire, pour faire simple, une poche de "vide" qui s'ouvre et se ferme brutalement au sein de la colonne d'eau lors d'un mouvement brusque.

Mais en étudiant les secousses produites par un essaim sismique enregistré en 2006 lors de la dernière éruption du volcan Augustine (Alaska), les deux volcanologues ont mis en évidence une sismicité dont le comportement ne collait pas avec les observations directes (déroulement de l'éruption) et les mécanismes-sources habituels.

Cette éruption, très semblable à celles qui l'ont précédée, s'est manifestée par l'extrusion d'un dôme au sommet de ce magnifique stratovolcan, phare qui marque l'entrée du détroit de Cook. Cette éruption s'est déroulée en alternant phases de construction du dôme et d'écoulement pyroclastiques avec des périodes de repos, où la croissance du dôme s'arrêtait presque totalement.

Toute la partie sombre au sommet de l'Augustine est le dôme de lave qui s'étire en deux langues sur le versant nord-est de l'édifice, en avril 2006. Image: Game McGimsey

L'analyse des signaux sismiques de cette activité a révélé que, plusieurs dizaines d'heures avant l'arrivée d'un nouveau cycle d'activité intense (croissance du dôme + écoulements pyro) les foyers de secousses sismiques superficielles migraient verticalement, descendant de plusieurs dizaines de mètres. Bien entendu la mise sous pression a été évoquée pour expliquer ce phénomène: le dôme sert de bouchon, donc les gaz s'échappent moins, donc la pression augmente sous le dôme, donc les roches qui entourent la cheminée craquent et produisent les séismes.

Sauf que la localisation précise des foyers* indique que les secousses en question démarraient directement dans la cheminée et non sur son pourtour. Problème: la cheminée est remplie...de magma, qui est censé,  à priori, avoir un comportement liquide et donc incapable de produire des secousses. Généralement c'est même l'inverse puisque les comportements plastiques atténuent, amortissent, les vibrations.

Cependant des études menées en laboratoire tendent à démonter que la fracturation d'un magma encore à l'état de fluide** est possible sous certaines conditions de haute pression et lorsqu'il est soumis à des contraintes assez brutales.
Un exemple assez commun de ce comportement est la pâte à modeler:
- appliquez lui une contrainte lente et progressive et elle s'étire tranquillement en formant un fil, sans se rompre. On dit qu'elle se déforme de manière plastique (la déformation se fait sans rupture et est irréversible)
- tirez dessus comme une brute, d'un coup, et elle se casse sans vraiment s'étirer. On dit qu'elle a alors un comportement cassant.

Le comportement mécanique d'un matériau dépend certes de la contrainte qu'on lui applique  (écrasement, étirement, cisaillement etc) mais aussi de la manière dont elle est appliquée (rapidement ou lentement). Or dans le cas de l'Augustine le magma qui se trouvait en haut de la cheminée, prêt à faire éruption, se retrouvait rapidement bloqué par la présence du dôme. La hausse de pression, rapide (en quelques heures) est une contrainte à laquelle le magma répond d'abord de manière plastique puis de manière cassante, ce qui a généré l'essaim de secousses enregistré en 2006. 36 heures plus tard cet excès de pression était libéré par le départ d'un nouveau cycle éruptif, avec croissance de dôme et écoulements pyroclastiques.

Les chercheurs estiment donc logiquement que ce type de séisme, lié à la fracturation du magma lui-même encore à l'état fluide, est un signe précurseur interessant du commencement d'un nouveau cycle d'éruptions qui peuvent être longues de plusieurs semaines, mois, années, et qui émettent des magmas à haute viscosité qui sont, comme chacun sait, les éruptions qui engendrent le plus grand risque.


Source: H.Buurma et M.E. West, 2014 "Magma fracture and hybrid earthquakes in the conduit of Augustine Volcano", dans Geophysical Research Letters


*: le foyer d'un séisme, aussi appelé hypocentre, est la zone ou se produit la fracture qui créé la vibration sismique.
** le mot fluide est ici employé dans sa véritable définition à savoir un corps qui plastique qui prend la forme de son contenant.