Les écoulements pyroclastiques des calderas ignimbritiques revisités

"Caldera ignimbritique"* est le nom donné en volcanologie aux édifices formés lors des très médiatiques "super éruptions", qui peuvent transformer en quelques heures ou dizaines d'heures un paysage. Comblement de vallées, ensevelissement des reliefs: tout est nivelé dans un rayon de plusieurs dizaines de kilomètres, et toute vie au sol est décimée dans un rayon pouvant atteindre 200 kilomètres. Sans parler des modifications atmosphériques et des perturbations climatiques qui peuvent suivre ces immenses émissions de cendres et de gaz...et le mot "immense" est  plutôt faible, en l’occurrence, nous allons voir ça sous peu.

1- Caldera ignimbritique: de quoi parle-t-on?

Tout d’abord on emploi le qualificatif "ignimbritique" pour les différencier des calderas habituelles.

Et par "calderas habituelles" j'entends les immenses cratères, larges parfois de plusieurs kilomètres  qui se forment sur certains stratovolcans lors d'éruption cataclysmales, et libèrent plusieurs dizaines de kilomètres-cube** de magma en quelques heures ou quelques jours. A titre d'exemple:

- celle formée en 1257 lors de l'immense éruption du volcan Samalas (Indonésie)

- ou encore celle de son voisin le Tambora en 1815, 

- ou même celle qui donna naissance au Crater Lake (Etats-Unis) après que le sommet du stratovolcan Mazama se soit effondré il y a environ 7700 ans,

- sans parler de celle apparue au Pinatubo (Philippines) en 1991, 

- voire celle qui éventra le Changbaishan (frontière Sino-Coréènne) en 969 de notre ère,

- sans oublier les plus célèbres que sont celles du Santorin en Grèce, ou plus récemment le Krakatau (Indonésie) en 1883.

Le trait blanc marque la limite de la superbe caldera d'Aniakchak, en Alaska, formée il y a environ 3400 ans.

Cette liste non exhaustive avait juste pour vocation de montrer que, finalement, la fréquence de formation des "calderas habituelles" est plutôt élevée, assez pour avoir marqué l'histoire des civilisations humaines à de nombreuses reprises.

Mais les calderas ignimbritiques se détachent clairement de cette classe-là:

- par le volume de magma émis, pouvant varier de quelques centaines à plus de 5000 km3 libérés en quelques heures à dizaines d'heures ***

- par (heureusement) une fréquence de formation nettement plus faible, de l'ordre de plusieurs centaines de milliers d'années au minimum, j'irai même jusqu'au million d'années,

- et par les dimensions de la caldera, les "ignimbritiques" étant plus vastes que les "habituelles"

Dans les deux cas (habituelles et ignimbritiques) il y a un lien direct entre les dimensions finales de la caldera formée et le volume de magma libéré puisque c'est justement la brusque chute de pression**** dans la chambre magmatique qui provoque l'effondrement de son toit, et donc la formation de la caldera en surface.

Les grandes étapes de la formation d'une caldera "normale", ici Crater Lake (Oregon/USA). Le principe est équivalent pour les calderas ignimbritiques Image: USGS

J'arrête ici ce paragraphe sur les calderas, car il y aurait encore bien des choses à raconter mais l'essentiel n'est pas là en ce qui concerne ce post.


2- Des écoulements pyroclastiques de grand volume: les "ignimbrites"

Je dois préciser tout de suite que l'on peut trouver des dépôts d'ignimbrites lors d'éruptions intenses mais plus "habituelles" (type Pinatubo/Tambora etc pour faire simple): ce type de dépôts n'est pas associé qu'aux calderas ignimbritiques.

Lors de la formation d'une caldera, le magma est libéré principalement sous la forme de cendres qui foment deux types d'objets:
- un panache de cendres qui monte à de très hautes altitudes, et passe généralement sans problèmes la barre de la tropopause
- un ou plusieurs écoulements pyroclastiques de grand volume, de grande extension (jusqu'à 200 km de la caldera), et mis en place à haute température: les ignimbrites, nom composé du latin "Igni" (le feu) même si il n'y a pas de feu sur les volcans, et "Imber" (pluie soudaine/averse) même si le dépôt ne résulte pas de chutes de cendres, mis bien d'un écoulement au sol.


L'étude de ces dépôts d'écoulements gigantesques associés aux calderas ignimbritiques est importante afin d'en comprendre le mécanisme de mise en place. Car l'extension des dépôts connus reste très grande même parfois après plusieurs millions d'années d'érosion, et les conséquences supposées à l'échelle de la planète entière, que l'on extrapole grâce aux conséquences connues d'éruptions importantes mais bien moins fortes (Pinatubo etc.), sont supposées

C'est à propos de ces derniers qu'une équipe internationale de chercheurs a proposé un nouveau modèle de mise en place suite à l'étude d'un dépôt ignimbritique ancien, dit de Peach Spring. Âgé de 18.8 millions d'années, d'un volume de 1300 km3, il a été émis par une caldera appelée Silver Creek et il contient de nombreux blocs de roches arrachés au substratum. Bon: la présence de fragments de roches étrangères dans un tel dépôt n'a rien d'inhabituel, sauf qu'ici la taille a posé problème: certains peuvent dépasser un mètre de diamètre, et sont clairement trop lourds pour avoir été transportés via le mécanisme habituellement supposé pour la plupart des écoulements pyroclastiques. Le mécanisme en question fait en effet intervenir un écoulement dilué, composé essentiellement de gaz, dont les turbulences maintiennent des particules (cendres, ponces) en suspension.
Or si ces écoulements dilués sont tout à fait capables, à des vitesses normales (plus de 100 m/s, 360 km/h) d'arracher puis de transporter au cours de leur progression des blocs d'une dizaine de centimètres, dans le dépôt de Peach Spring certains blocs dépassent 90 cm. Pour les emporter, un écoulement dilué aurait dû se propager  à des vitesses hallucinantes, non naturelles: jusqu'à 650 m/s (2300km/h!) d'après les estimations de l'équipe.
L'écoulement dilué s'est donc révélé un mécanisme inadapté pour expliquer la présence de ces gros blocs.

L'un des sites où l'ignimbrite de Peach Spring a été étudié, à l’extrémité ouest du dépôt, à environ 150 km de la caldera de Silver Creek. La zone marron tout en bas est le dépôt sédimentaire présent avant l'éruption. Le dépôt d'ignimbrite  est beige à la base et contient un lit de gros blocs sombres. Il devient plus orange vers le haut. Image: Olivier Roche et al, 2016/Nature Communication

Ces derniers n'ont pas été transportés sur de longues distances: quelques centaines de mètres d'après les chercheurs, qui ont étudié de près les dépôts sous-jacents à l'ignimbrite. Par contre des blocs de grosse taille (jusqu'à 1m 40 pour les plus gros trouvés) ont été arrachés à plus de 170 km de la source de l'écoulement ce qui implique que même à cette distance l'écoulement avait encore une énergie mécanique suffisante pour déplacer les blocs. Comment alors agissait cette énergie mécanique si ce n'est pas en lien avec de très hautes vitesses?
Puisque le modèle d'écoulement dilué ne fonctionne pas, les chercheurs ont testé un autre type d'écoulement, pour ainsi dire opposé.
Il s'agit d'un type d'écoulement particulier dans lequel la base forme une semelle constituée d'une grande quantité de particules, fluidifiée par du gaz interstitiel sous pression. Dans ce mélange gaz+particules le gaz sous pression limite les frictions entre les particules ce qui lui permet d'avoir une très faible viscosité (résistance à l'écoulement), et sa forte densité minimise l’incorporation d'air ambiant, et donc le refroidissement de l'écoulement au cours de sa progression. C'est d'ailleurs un point important car les volcanologues ont pu observer dans le dépôt de Peach Spring les traces de cette très haute température dans le dépôt, car il est parfois soudé à chaud, même à grande distance.

L'équipe a donc mis en place une série d'expériences analogiques libérant des écoulements chargés de particules nanomètriques et de gaz progressant sur un lit de billes en acier plus grosses (1.6mm), qui simulent les blocs lourds, elles-mêmes insérées dans un substrat rigide, simulant les dépôts antérieurs à l'écoulement. Ci-dessous l'une des vidéos réalisée par l'équipe.

Les expériences filmées en caméra haute vitesse ont permis de constater que lorsque le front de l'écoulement progresse il exerce sur le substratum un cisaillement qui peut déloger les billes (blocs). Mais ce qui les soulève et permet leur incorporation dans l'écoulement, c'est l'apparition d'un gradient de pression à la limite écoulement-substratum, comme une sorte de succion. Entrainé à faible hauteur ils forment alors, à la base de l'écoulement, un lit tout à fait similaire à celui de la photo ci-dessus.

Utilisant par la suite ces observations expérimentales, ils ont appliqué une formule qui lie la vitesse du front de l'écoulement à la taille des particules soulevées (une formule qui a par ailleurs fait ses preuves lors de l'analyse des dépôts de l'éruption du Mont Saint Helens).
Les données de terrain ayant fournit la taille et la densité des blocs du dépôts de Peach Spring, la vitesse de l'écoulement pyroclastique a pu être déduite: sa valeur a été estimée à.....75 km/h maximum, le minimum se trouvant lui vers 20 km/h!!
C'est à dire que là où l'on s'attendrait à voir des vitesses monstres, puisque tout est gigantesque dans la formation d'une caldera, et bien les écoulements pyroclastiques semblent étonnement lents! A titre de comparaison, l'écoulement pyroclastique de la Montagne Pelée qui, en 1902, a détruit la ville de Saint Pierre a progressé à une vitesse estimée à environ 500 km/h (entre 120 et 150 m/s).


C'est là la grande surprise, me semble-t-il, de ces expérimentations. Mais ce ce n'est pas tout.

Car pour qu'un écoulement concentré ait cette vitesse, même faible, à plus de 150 km de sa source, cela suppose une émission de cendres et gaz particulièrement soutenue. Les chercheurs estiment notamment que l'éruption qui a donné le dépôt de Peach Spring a duré au maximum 10 heures, pendant lesquelles, accrochez-vous, le magma a été émis à un débit estimé entre 40 et  150 millions de m3 par seconde, sans interruption!!!
Bon donnée comme ça, cette valeur ne vous dit peut-être rien mais si vous allez relire le post concernant le Tambora, vous verrez qu'il a fallu plusieurs heures pour libérer 30 km3 de magma (30 milliards de m3) et ce fut une éruption catastrophique à plus d'un titre. Or, à un débit de 150 millions de m3/s il ne faut que 3.5 minutes (220 secondes) pour libérer le même volume!

Pour récapituler, cette série d'expériences incite à croire qu'en lieu et place d'une écoulement rapide et dilué, la formation d'une caldera ignimbritique implique un tel débit de cendres et gaz que seul un écoulement lent et concentré est susceptible d'expliquer les dépôts de Peach Spring.
Elle est un premier pas vers la validation d'un nouveau modèle pour les écoulements de grand volume associés aux formations de calderas ignimbritiques. Un premier pas qu'il reste encore à confirmer avec l'étude d'autres dépôts mais qui remet en cause une certaine façon de percevoir ce type d'événement d'une part mais qui a aussi des implications concrètes. Je laisse la fin du post à une citation extraite de l'article paru dans Nature Communications, publié le 07 mars: "Une meilleur compréhension des mécanismes par lesquels les écoulements pyroclastiques se mettent en place est essentiel pour  anticiper au mieux les risques associés aux volcans actifs".

Sources:
"Slow-moving and far-travelled dense pyroclastic flows during the Peach Spring super-eruption", O.Roche et al, 2016,  Nature Communication

et l'article de l'INSU-CNRS publié aussi sur le site de l'IRD

* vous me pardonnerez j'espère de ne pas employer le terme "super-volcan", auquel je ne trouve que des défauts.

** en volume DRE (Dense Rock Equivalent) c'est-à-dire le volume réellement expulsé hors de Terre. Le volume réèl, mesuré sur le terrain, est en fait la somme:
- du volume de lave (roche+minéraux)
- le volume de roches encaissantes
- le volume occupé par les bulles de gaz
Ce volume réèl est toujours un minimum car plus l'éruption est ancienne plus une part importante des dépôts a été emportée par l'érosion.
La présence des bulle montre que le dépôt réèl est "expansé", raison pour laquelle les volcanologues parlent parfois de volume DRE, qui est une estimation du volume avant formation des bulles de gaz, donc avant éruption.

*** il existe aussi des calderas ignimbritiques de dimensions modestes: ce fut le cas de celle du Mont-Dore (Auvergne), apparue il y a 3 millions d'années et au bord de laquelle s'est édifié bien plus tard le mini-stratovolcan Sancy. 

**** et non pas de vide, comme c'est souvent dit. Il ne faut pas perdre de vue que la chambre magmatique est toujours pleine: à aucun moment d'une éruption elle ne contient un vide.. Simplement:

- avant une éruption le magma qu'elle contient est sous pression, c'est-à-dire qu'une quantité importante de magma comprimé réside dans le volume de la chambre

- pendant une éruption du magma est émis et ce qui reste dans la chambre se décompresse progressivement, ce qui fait que le volume de la chambre est à tout moment entièrement occupé (elle est toujours pleine) mais par un magma de moins en moins pressurisé ou, dit autrement, de plus en plus "expansé".

Un analogue pour comprendre ce que je raconte est le ballon: gonflé à bloc ou dégonflé il est toujours plein d'air: le crever ne remplace pas l'air à l'intérieur par du vide...Par contre la pression de l'air dans le ballon diminue et il se décomprime.