30 juillet 2014

Les mystérieux diamants du volcan Tolbachik

C'est une nouvelle étonnante qui est parue en janvier de cette année mais qui n'a, étrangement, pas fait de bruit (moi-même je suis tombé dessus complètement par hasard): les laves du Tolbachik émises par l'éruption de 2012-2013 contiennent des diamants!

L'étude a été publiée par une équipe menée par Evgenii Gordeev, de l'Institut de Volcanologie et de Sismologie de Pétropavlovsk, et fait partie d'une série d'articles consacrés à cette éruption, spectaculaire à plus d'un titre, appelée du doux nom de FTE-50 (Fissure Tolbachik Eruption, for the 50th anniversary of the Institut of the Volcanology and Sismology).


Je ne vais pas retracer ici toutes les étapes de cette éruption, ça serait trop long et ce n'est pas le propos. Mais je tiens au moins à faire un rappel des premières heures d'activité.
Le 27 novembre 2012 à partir de 17h15 (heure locale) une crise sismique relativement peu profonde (moins de 10 km: les foyers sont dans la croûte continentale) débute sous le complexe volcanique Ostrii-Plosky Tolbachik, sur la péninsule du Kamchatka. Rapidement les foyers sismiques se déplacent vers le sud, sous une vaste zone de cônes et de coulées édifiés ces 10 000 dernières années et connue sous le nom de Tolbachinsky Dol. C'est aussi dans cette zone que se déroula, entre juin 1975 et décembre 1976, la grande, superbe, spectaculaire, incroyable, exceptionnelle éruption fissurale dite Great Tolbachik Fissure Eruption (GTFE).
 
Le volcan Tolbachik
Le complexe du Tolbachik (Ostrii - Plotsky Tolbachik et Tolbachinsky Dol) et ses voisins, certains célèbres.

Cette sismicité intense accompagne l'ouverture d'un système de fissures long de 5 à 6 km qui s'étire entre 2200m et 1500m d'altitude. A partir de 20h00 (heure locale) l'activité éruptive démarre le long de la fissure avec un dégazage puissant: la lave est émise sous forme de fontaines hautes de 250 à 300m (activité explosive), et sous forme de coulées très fluides (activité effusive). Rapidement l'activité se concentre sur deux évents particuliers situés aux extrémités de la fissure: ils sont appelés Menyailov au nord, et Naboko au sud, en l'honneur de volcanologues Russes*.

Eruption des cônes Menyailov et Naboko du volcan Tolbachik, 28 novembre 2012
Le Menyailov à gauche et le Naboko à droite en pleine action quelques heures après le début de l'éruption. Image D.Melnikov

Chacun alimente son propre champ de coulées mais c'est celui du Naboko qui est le plus fournit: dès le lendemain du départ de l'éruption, le front le plus actif se trouve déjà à 9km de distance de sa source: le débit de lave a été évalué à 400 m3 par seconde! L'activité sur le Menyailov cesse rapidement, dès le le 01 décembre après avoir recouvert une surface de 5 km² environ sous une épaisseur moyenne de lave de 5m, soit un volume d'environ 25 millions de m3 déversés en un peu plus de 3 jours.
Le Naboko poursuit son activité mais l'éruption va progressivement devenir essentiellement effusive jusqu'à son extinction quelques mois plus tard.

Je reviens rapidement sur cette première phase de l'éruption parce que c'est dans ses laves que les diamants ont été découverts en janvier 2013, par une équipe qui s'était rendue sur le site de l'éruption pour échantillonner les coulées. Quelques 750 cristaux ont été repérés, parfois incolores ou légèrement teintés de vert.
Pas d'affolement toutefois: il ne s'agit pas de monstres mais de micro grains, d'une taille allant de 0.05 à 0.2 mm, avec quelques exceptions à 0.7mm. Il n'empêche que leur découvert est extraordinaire et totalement inattendue car les diamants ne sont pas connus pour être trouvés dans ce type de volcanisme, ni même ce type d'environnement géologique.

Les diamants du volcan Tolbachik
Détail de deux diamants (l'image du milieu est un détail de l'image de gauche) du Tolbachik. Image: E.I. Gordeev et al, 2014.

Parlons Diams

Les diamants se forment normalement dans le manteau terrestre où les conditions de très haute pression et de très haute température permettent leur apparition via la transformation du graphite (la mine de votre crayon de bois): la composition chimique du graphite est identique à celle du diamant (carbone pur) et seul l'agencement des atomes de carbone est différente (en feuillet pour le graphite, en cube pour le diamant).

Agencement des atomes de carbone dans le diamants à gauche , dans le graphite à droite. Image: Université de Nantes

La majorité des diamants restent piégés dans le manteau terrestre car un seul phénomène est susceptible de les rapporter à la surface: le volcanisme. Ils font du magma-stop en quelque sorte. Seulement, les diamants sont associés au volcanisme le plus rare sur Terre, dit "volcanisme Kimberlitique".
Comme la plupart des autres roches volcaniques, les Kimberlites trouvent leur source dans le manteau terrestre. La différence essentielle c'est que le manteau en question se trouve sous les cratons, portions de continents les plus anciens sur Terre, formés entre 3.5 et 2.7 Milliards d'années**. D'ailleurs la majorité (pas la totalité) des Kimberlites connues et les diamants qu'elles contiennent ont le même âge que les cratons. Les études faites sur les diamants cratoniques suggèrent que la vitesse de remontée des laves kimberlitiques est exceptionnellement rapide: plusieurs dizaines de kilomètres-heure dans la croûte, vitesse qui n'est atteinte par aucun magma actuel.
En effet si le magma remonte trop lentement, la baisse progressive de pression et de température laisse le temps aux diamants de se retransformer en graphite. La rareté du volcanisme Kimberlitique explique la rareté des diamants à la surface de la Terre, donc leur prix.


Localisation des zones diamantifères et des cratons: le lien est évident... mais le Kamchatka en est exclu. Image: Geology for Investors

Quid des diamants du Tolbachik?

La première chose incroyable avec les diamants du Tolbachik, c'est qu'ils sont donc formés dans un environnement géologique tout à fait particulier, inconnu pour les autres diamants: le volcanisme du Kamchatka, ancien ou récent, n'a rien de Kimberlitique.
Mieux: tout semble indiquer qu'ils n'ont même pas été formés dans le manteau, mais pendant l'éruption! Et si cela se révèle juste, la découverte sera tout simplement exceptionnelle, une première mondiale.

Essayons de comprendre pourquoi les géologues Russes pensent que ces diamants ne sont pas mantelliques (=formés dans le manteau) mais volcaniques.

Le premier argument est d'ordre géologique: les diamants, ainsi que d'autres minéralisations rares trouvées en même temps, sont essentiellement localisés dans les pores des coulées libérées par Menyailov et Naboko, en plus des dépôts de cendres, lappilis et bombes.
Ces pores sont des bulles de gaz figées dans la masse, bulles qui ne se forment que dans la partie haute du conduit éruptif, lorsque la pression est suffisamment basse pour ne pas empêcher leur croissance.
Or, remontés depuis le manteau, ou même depuis une chambre magmatique, les diamants devraient se retrouver partout dans la lave et pas en majorité dans les pores.
Autre contrainte de taille: contrairement à l'éruption de 1975-1976, qui avait été précédée de 10 jours d'activité sismique intense dans le manteau et la croûte (propagation des fissures et des filons de magma), celle de 2012-2013 n'a été précédée que de 15 heures de sismicité, et les secousses sont restées localisées dans la croûte. Ceci semble indiquer que le magma émis n'est pas venu du manteau, comme ce fut le cas en 1975-1976, mais peut-être d'une chambre magmatique moins profonde, déjà dans la croûte, où les diamants n'existent pas. En effet même si on imagine que les diamants avaient été injectés dans cette chambre avant l'éruption, les conditions de pression et de température auraient été trop faibles pour que le carbone persiste sous la forme de diamants: il se serait retransformé en graphite.


Les autres arguments sont d'ordre cristallographique.
Les analyses faites aux rayonx X, méthode classique pour analyser les cristaux, indique que les diamants découverts sont de la classe I-b, à savoir celle qui englobe surtout les diamants industriels! Seuls environ 1 à 2% de diamants de cette classe sont naturels.
Le type I-b est caractérisé par la présence très limitée d'atomes d'azote coincé entre les atomes de carbone. Or la plupart des diamants naturels, donc ceux du manteau, contiennent de plus grandes quantité d'azote, regroupées en "paquets" dans le réseau d'atomes de carbone: ils constituent la classe I-a.
Ces diamants du Tolbachik ont donc des particularités minéralogiques qui les distinguent clairement des autres diamants naturels connus, qui viennent du manteau.

Ensuite, l'étude de la morphologie des cristaux et de leurs défauts indiquent qu'il ne portent pas les traces généralement laissées par un séjour prolongé dans le manteau, ni même une corrosion liée au transport par le magma: ils ont vraiment l'air frais, tout juste formés.

Enfin, les volcanologues ont découvert, en association avec les diamants,  des filaments de diverses minéralisations comme du Cuivre,Fer ou encore d'Aluminium natifs, autant d'indications d'une composition chimique particulière pour ce magma émis au début de l'éruption. Cet environnement chimique très spécial est aussi marqué par la présence de quelques grains de Moissanite, nom de la variété naturelle extrêmement rare, du Carbure de Silicium (SiC), un produit surtout fabriqué industriellement et utilisé, entre autres, comme abrasif (connu alors sous le nom de Carborundum).

Bref tout semble dire que si, en surface, l'éruption a été une éruption fissurale classique avec fontaines de lave et coulées, le magma émis, lui, a été très spécial.

Des études sont en cours pour préciser tout ça car les questions sont forcément nombreuses.
En premier lieu: d'où vient le carbone? A-t-il été injecté dans le manteau par la subduction qui donne naissance aux volcans du Kamchatka, puis remonté jusqu'en surface? Ou a-t-il été prélevé dans la croûte, par exemple dans d'anciens sédiments contenant des traces de matière organique?

Quelles ont été les conditions exactes qui ont permis l'apparition de ces diamants, et des autres minéraux associés, car les résultats d'analyses semblent en effet dire que ces diamants sont apparus au moment de l'éruption, peut-être en lien avec le dégazage, donc loin des conditions connues. Cela reste une hypothèse à vérifier, probablement la plus importante de ce mystère car si il s'avère qu'elle est juste, il s'agira là des premier diamants d'origine volcanique, c'est-à-dire formés à partir du magma, et non juste remonté par lui!

Pourquoi ne se retrouvent-ils que dans les laves de la première phase de l'éruption (lave qui a d'ailleurs une composition chimique un peu particulière par rapport aux autres laves du Tolbachik)?


Malgré toutes ces questions, les volcanologues Russes proposent en tout cas de nommer ces diamants d'un nouveau genre "Diamants de type Tolbachik".... normal non?


Sources:
E.I.Gordeev et al, 2014: "Diamonds in Lavas of the Tolbachik Fissure Eruption in Kamchatka", in Docklady Earth Science.

G.Karpov et al, 2014: "New volcanogenic-eruptive genetic type of diamonds occurence (based on studying the 2012-2013 Fissure Tolbachik Eruption, Kamchatka)", in Geophysiocal Research Abstract.



*Igor Menyailov est mort dans l'explosion du Galeras en 1993, un accident dramatique bien connu des volcanologues et volcanophiles. Sofia Naboko, sa mère, a beaucoup travaillé sur les minéraux. L'un porte d'ailleurs son nom, la Sofiite, un minéral découvert dans les laves...du Tolbachik!

** selon une étude publiée dans la revue Nature l'an dernier par Magali Pujol et ses collaborateurs: "Argon isotopic composition of Archaean atmosphere probes early Earth geodynamics"

*** la Lithosphère est l'association de la croûte terrestre et de la partie "froide", donc rigide, du manteau situé juste en dessous. Avec la profondeur la température du manteau augmente et une fois passée la température de 1200°C environ, le manteau devient plus malléable. On l’appelle alors Asthénosphère ("sphère molle"), qui est donc juste sous la lithosphère ("sphère de pierre").


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6 commentaires:

  1. Les volcans et la nature n'ont pas fini de nous surprendre...dans le sens merveilleux du terme!!

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  2. Très étonnant ! Et même bizarre que l'info n'ai pas été reprise par les médias...
    Tu parles d'une composition chimique un peu particulière, si tu as des infos, pourrais tu nous en dire plus ?

    Merci d'avance,

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    1. La composition chimique des diamants du Tolbachik n'est pas fondamentalement différente de celle des autres diamants: c'est du carbone pur. Les différences sont surtout d'ordre minéralogique. Si la question concerne plutôt les laves dans lesquelles ils se trouvent, la lave émise en début d'éruption est en fait significativement plus riche en Silice (SiO2) que les lave émises en général dans la zone du Tolbachinsky Dol, avec un pourcentage en poids de 52-54%, ce qui la fait entrer dans la gammes des laves différenciées dites intermédiaires, alors que la plupart des laves du Tolbachinsky Dol sont dans la gamme dite "basique". Elle semble avoir connu un épisode de différenciation, avec une cristallisation de feldspath plagioclase assez marquée. :-)

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  3. Merci d'avoir attiré notre attention sur cette tres intéressante et étonnante découverte qui confirme le maintien de la grande qualité de la recherche russe, malgré son catastrophique manque de financement. Je serais étonné qu'on ne trouve pas d'autres diamants "volcaniques" dans les prochaines années. Quand on sait ce qu on cherche on trouve plus facilement. Amitiés du Mexique
    Robin

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    1. Salut Robin. Oui cette découverte est vraiment étonnante de part les conditions de cristallisation des diamants, tellement éloignées de ce que l'on connaissait jusqu’alors. Un volcano du LMV m'a depuis confirmé que des diamants synthétiques avaient été produits en 2005 directement à partir des phases gazeuses: ce pourrait donc être un mécanisme possible puisque les volcanologues russes ont fait un lien chronologique entre les laves qui les contiennent et les phases de fontaines de lave les plus importantes. Et puis les diamants se trouvent dans les pores, donc les bulles de gaz. Belle découverte, clairement qui contraste étrangement avec le manque de bruit qu'elle a pu faire (on m'a aussi indiqué que la revue dans laquelle a eu lieu la publication en question n'est pas très visible sur le plan international, ce qui peut expliquer cette transparence). Amitiés de France :-)

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  4. J'étais moi aussi passé à coté de ce papier ... très intéressant comme d'habitude .. merci ... Kaptain K

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