Volcan Ambrym : la modeste éruption fissurale de 2015 et les frères Grimm

Depuis qu'Ambrym a été visité, observé, décrit, il y a quasiment toujours eu une activité éruptive au niveau de la zone sommitale avec, évidemment, quelques pauses, généralement courtes. En dehors des périodes de confinement, cette activité éruptive est même la source d'une activité touristique non négligeable. Les éruptions sommitales ont toutes pour point commun de se dérouler...au sommet, certes, mais peuvent toutefois se séparer en deux groupes :

• l'activité éruptive permanente sous forme de lacs de magma dans les cratère des cônes Marum et Benbow, et parfois dans quelques évents proches, annexes de ces deux-là.
• Des phases d'activité éruptive fissurales dans la caldera mais hors des cônes Marum et Benbow
  
  

Parfois les éruptions se produisent hors de la caldera, loin sur les Rifts-Zones qui traversent l'édifice. Il y en a 2, qui se rejoignent au sommet: la Rift-zone Ouest (sur laquelle se produisit, entre autres, la spectaculaire éruption de 1913, sur la côte), et la Rift-Zone Est. 

J'avais, dans un précédent post, fait le point sur quelques généralités concernant Ambrym: je vous conseille d'aller le lire, notamment pour faire le point sur les noms des reliefs si vous n'y êtes pas familier, et parce que la structure interne déduite de multiples études y est représentée : ça aide pour la suite !

L'éruption fissurale évoquée dans le titre fut un événement un peu inattendu. Elle a eu lieu non loin de la base du cône Marum, qui correspond à la partie la plus amont de la Rift-Zone Est.

Elle n'a pas été particulièrement spectaculaire et, contrairement à celle de 2018, qui a eu lieu dans le même secteur, elle ne fut accompagnée d'aucune baisse significative de l'activité des lacs de magma dans Marum et Benbow. Celle de 2018, de son côté, a provoqué leur vidange rapide et, pour l'heure, ils ne se sont pas reformés.

L'éruption de 2015 en cours. Image: Ben Clark

Cette éruption modeste (post la concernant ici ) a fait l'objet d'une publication récente (avril 2020) par une équipe Néozélandaise. Elle apporte un éclairage intéressant et des éléments de réponse à des questions qui se posaient déjà à l'époque de sa survenue, notamment sur ce blog.

Son objectif est d'étudier la réponse du système volcanique appelé « Ambrym » à une secousse sismique forte (magnitude 6,4) et proche à la fois dans l'espace (environ 20 km au sud du sommet et 10 km de profondeur) et dans le temps (à peine de 30 heures avant l'éruption fissurale).

Petite digression histoire de contextualiser l'événement

La question d'un lien entre éruptions et gros séismes a souvent été posée. Intuitivement, le lien est assez facile à faire...mais il faut se méfier des intuitions car si elles peuvent être un moteur pour chercher une réponse, trop souvent on les substitue à la réponse elle-même (le fameux « ah c'est évident !! »). Or, très régulièrement la réponse n'a rien d'évidente et va à l'encontre de l'intuition. Au fond, un bon scientifique est certes une personne intuitive, mais qui confronte avant tout ses intuitions à des faits objectifs* (et jette sans remords à la poubelle son « ah c'est évident » au passage).

Dans le cas d'une relation « gros séisme - éruption », le moins qu'on puisse dire c'est qu'il ne faut surtout pas généraliser. La plupart des gros séismes ne génèrent aucune modification de l'activité des zones volcaniques proches ou lointaines, mais il peut arriver de temps en temps qu'il y ait des réponses volcaniques à des secousses. La plupart d'entre elles sont des modifications de l'activité hydrothermale (apparition ou modifications de l'activité fumerollienne par exemple) mais il est très peu fréquent que le système volcanique arrive jusqu'à l'éruption.

C'est pour ça qu'il vaut mieux cesser de se poser la question (pas les scientifiques, nous) et partir du principe que c'est au cas par cas, qu'il n'y a aucune généralité et que, globalement, statistiquement, la réponse est du genre « non mais parfois oui et il vaut mieux attendre des études sérieuses pour le savoir».

Quand à la nature du lien qui, parfois, existe, les spécialistes sont plutôt axés sur les modifications des contraintes mécaniques au niveau des systèmes volcaniques, mais il faut garder en tête que les débats restent ouverts et qu'imaginer qu'une réponse claire existe aujourd'hui est un doux rêve.

Ces modifications peuvent s'opérer à deux niveaux, de deux façons :

• un impact proche : lorsque le séisme à lieu, il y a une modification permanente de la répartition des contraintes dans un rayon de plusieurs kilomètres/dizaines de kilomètres. Là où des tensions étaient fortes, la rupture a eu lieu et ces tensions sont moindres, mais d'autres secteurs proches ont été mis en tension du fait des déplacements. Si le système volcanique se trouve dans une zone plus contrainte qu'avant, il sera peut-être plus difficile pour le magma de se frayer un passage jusqu'à la surface... Mais si le système volcanique est dans une zone où les contraintes se sont relâchées, il sera peut-être plus facile pour le magma de se frayer un passage. Bref : du cas pas cas je vous dit !
  
  
• un impact plus lointain : les contraintes mécaniques sont relâchées localement, ou régionalement (km ou dizaines de km alentours), donc seuls les systèmes volcaniques proches du séisme peuvent y être sensibles. Mais les ondes sismiques, surtout lors de secousses fortes, se propagent partout, parcourent le globe entier...et secouent donc des systèmes volcaniques éloignés. Ce changement brusque, court et temporaire induit par le passage des ondes sismiques est susceptible, dans certaines circonstances, d'engager de légères modifications qui, à terme peuvent conduire à une instabilité de systèmes volcaniques . Généralement le délai entre le passage des ondes et cette dernière est long, (mois, années). Le lien peut donc être plus difficile à établir et, surtout, le passage des ondes ne devient que l'un des nombreux facteurs qui, de toutes manières, conduit à une instabilité.

Pour autant, dans la liste des situations positives quand à une lien assez directe, il semble qu'il y ait l'éruption fissurale de 2015 à Ambrym.

Fin de la digression

Déjà, avant de savoir si un lien est possible, les volcanologues ont dû tenter d'identifier le point de départ du magma, la source de l'éruption. Venait-il du manteau (il commence à plus de 25 km de profondeur sous Ambrym) ou d'une des zones d'accumulation superficielles (vers 4 km sous la caldera) dont on soupçonne déjà l'existence par diverses études? Dans le premier cas on verrait mal le lien avec la secousse, dont l'hypocentre a été localisé vers seulement 10 km de profondeur : ça vaut donc le coup de se poser cette question avant de se lancer!

Pour le savoir ils ont analysé des données radar fournies par les satellites SENTINEL 1 et ALOS 2, ce qui a permis de constater que le maximum de soulèvement s'est produit au niveau du site de l'éruption, puis qu'une déflation localisée et de faible ampleur a eu lieu. L'affaissement le plus important (- 20 cm dans les trois mois après l'éruption) a été produit par la contraction du champ de coulées de lave, dû à son refroidissement et à son dégazage. 

La petite tâche rouge sur l'image du centre indique un affaissement de plus de 10 cm (environ 20 cm d'après l'article) due à la contraction du champ de coulées. Image : I. J. Hamling1 & G. Kilgour

 

Une autre déflation (dégonflement), bien plus lente (50 cm/an) et affectant une surface d'environ 30 km², est interprétée comme résultant de la contraction d'une masse de magma (un sill), soit parce qu'une partie du magma a continué de fuiter (formation de dykes non éruptifs) soit parce qu'il a continué de dégazer tranquillement. Les caractéristiques de cette déformation sont cohérentes avec un sill situé vers 3 km de profondeur : à peu près la zone d'accumulation superficielle déjà mise en évidence par d'autres méthodes (notamment géochimiques), lors d'études précédentes.

De cela il se dessine que la source magmatique de l'éruption de 2015 n'est pas à chercher dans le manteau terrestre, mais dans une source superficielle, une poche (sill) située vers 3 – 4 km de profondeur.

Bien : mais quel lien avec le séisme de magnitude 6,4 ? Et d'ailleurs, pour quelles raisons soupçonner qu'un lien existe ?

Et bien le fait est qu'après avoir supposé un lien, la première chose faite par les volcanologues fut de regarder les données géophysiques précédent l'éruption.

Bilan : aucune déformation et aucune sismicité anormales, donc aucune intrusion de magma neuf dans le système au cours de l'année précédent l’éruption fissurale.

Les chercheurs signalent malgré tout qu'ils n'ont pas eu de données au cours du mois précédent l'éruption, mais:

- sa très courte durée

- le fait qu'elle ait été d'une intensité modeste et ait libéré un volume restreint

- le fait aussi que, visiblement, le magma ait été émis depuis une zone superficielle (donc un magma déjà probablement partiellement cristallisé et dégazé) et non d'une source profonde (magma juvénile peu cristallisé et riche en gaz).

plaide pour qu'il ne se soit rien passé de particulier au cours du mois précédent cette éruption.

Donc tout suggère fortement que cette éruption fissurale est tombée comme un cheveux sur la soupe. Seule perturbation notable dans ce schéma : le séisme de magnitude 6,4, à proximité immédiate, et juste 30 heures plus tôt.

De là un renforcement de l'idée qu'un lien peut être supposé. Reste à savoir si il est physiquement, mécaniquement plausible ou non.

Une fois la source probable de l'éruption localisée, les volcanologues peuvent modéliser les contraintes mécaniques qui s’exercent sur cette zone, et voir comment elle peut réagir lors de perturbations comme la survenue d'un séisme local par exemple.

Digression bis

Quand j’écris « modéliser » il ne faut pas entendre « les spécialistes pondent un modèle et publient les résultats ».

Non : modéliser c'est d'abord identifier un maximum de paramètres en jeu, leur lien (comment la variation de l'un impact les autres, les possibles rétroactions positives ou négatives, les effets de seuils etc ce qui implique des outils mathématiques puissants et rôdés) et puis après, on fait varier ! Et on produit comme ça toute une série de modèles, dont seuls ceux qui donnent des résultats cohérents avec ce qui est connu/observé/décrit sont gardés, affinés. Et ce n'est qu'après avoir identifié les modèles les plus cohérents que l'on fait une publication.

Fin de la digression bis

Ici les modélisations suggèrent fortement que les modifications des contraintes mécaniques dues au déplacement qui a produit le séisme ont provoqué une baisse de la pression au niveau du sill. Elle a été estimée (selon les modèles) entre 0,03 et 1 millions de pascals (entre 0.3 et 10 bars).

Les modélisations des modififcations des contraintes au niveau du sommet d'Ambrym (la ligne noire marque le tracé côtier de l'île) par des séismes simulés à divers profondeur (mais de même caractéristiques que le séisme réèl) indique que l'impact maximal est atteint si la secousse a lieu entre 9 et 13 km de profondeur (la secousse  réèlle à eu lieu à 10 km). Par ailleurs la secousse a pour effet d'abaisser la pression au niveau de la zone volcanique (d'où un écart de pression Δσ plus grand, vers le rouge). Image :
I. J. Hamling1 & G. Kilgour

Ça c'est pour l'estimation de la modification permanente des contraintes, mais il ne faut pas oublier que le passage des ondes sismiques provoque aussi une variation temporaire et de courte durée des contraintes, mais qui peut être très intense.

Cette variation « instantanée et temporaire » a aussi été modélisée, au cas où : au passage des ondes, le maximum de contraintes mécaniques qu'elles ont produit au niveau du sill a pu être de l'ordre de 0,9 à 1,5 millions de pascals (entre 9 et 15 bars).

Toutefois il ne faut pas oublier que, pour qu'un magma puisse faire éruption, il doit pouvoir fracturer les roches qui l'entourent. Dans les conditions trouvées pour cette éruption, à savoir une zone d'accumulation située vers 3000 m de profondeur, un dyke modélisé avec une longueur de 5 km et une largeur d'environ 3,5 m et en tenant compte des caractéristiques des roches (densité etc) à traverser, l'estimation des contraintes mécaniques en présence, il aurait fallu une suppression du sill d'environ 2 millions de Pascals (20 bars) pour permettre la rupture et l'éruption.

Or, ni la répartition des contraintes mécaniques dues au fait que les roches se soient déplacées, ni le passage des ondes sismiques ne peuvent, d'après la modélisation, provoquer seules l'éruption.

Alors tout ça pour ça ?

Évidemment non.

Car pour qu'un magma puisse faire éruption, il doit lui-même être « éruptible », c'est-à-dire présenter des caractéristiques qui lui permettent de se déplacer jusqu'à la surface du globe. Et en premier lieu, sa viscosité qui est la capacité d'un matériau à s'écouler, ou plus précisément la mesure de la résistance d'un matériau à son écoulement.

Cette viscosité qui, pour un magma, résulte essentiellement de trois facteurs :

• sa température : plus elle est élevée plus sa viscosité est faible
• sa composition chimique, en particulier sa concentration en silice et en eau. Plus la concentration en silice est élevée plus la viscosité est élevée ; plus la concentration en eau est élevée, plus la viscosité est faible.
• La proportion de cristaux : plus il y a de cristaux, plus la viscosité est élevée

Il faut aussi qu'il puisse exercer une pression assez forte pour provoquer la fracturation des roches qui l'entourent. Et il y a deux cas de figure principaux pour que cela se produise :

1 - un magma neuf arrive dans la zone de stockage et la met en pression
2- des bulles de gaz se forment dans le magma déjà présent, ce qui fait monter la pression.

Les données récoltées par les volcanologues permettent d'exclure la première possibilité pour l'éruption fissurale de 2015. Il faut donc que des bulles se soient formées dans le stock de magma (le sill) déjà en place à 4 km de profondeur. Or, souvenez-vous, les modélisations indiquent que les changements de contraintes produits par le séisme ont pu provoquer une baisse de pression au niveau du sill. Et une baisse de pression, c'est favorable à la formation des bulles.

Ok: mais concrètement, la baisse de pression induite par le séisme a-t-elle pu être suffisante à l'apparition des bulles?

Pour répondre, les volcanologues ont dû modéliser les conditions de température, pression initiale, composition chimique etc, d'un magma dans lequel les bulles sont censées apparaître. En modélisant le comportement d'un magma « type Ambrym », plutôt fluide et relativement homogène dans le temps (pas trop de variation en concentration en silice notamment), et en faisant varier la température et la concentration en eau, les modélisations indiquent que :

• pour les magmas les plus chauds (plus de 1025 °C) et riche en eau, donc bien fluides, les bulles de gaz n'apparaissent qu'à partir d'une chute de pression de l'ordre de 5 millions de pascals (50 bars).
• pour le même magma mais pauvre en eau (un poil moins fluide), la chute de pression doit être encore plus importante.
• pour des températures plus faibles (entre 1000 °C et 975 °C ) et un magma pauvre en eau (donc encore moins fluide) la chute de pression doit être d'au moins 10 millions de pascals (100 bars) pour que les bulles se forment.
• Pour des températures de magma similaire (entre 1000°C et 950°C) mais saturés en eau, la chute de pression nécessaire pour que les bulles se forment est ...de moins de 1 million de pascals ! Les bulles se forment quasiment tout de suite!

Attention au piège : l'axe des abcisses se lit de droite à gauche car ce sont des manipulation de baisse de pression qui été menées. La courbe bleue représente la variation de volume pour un magma riche en eau et très chaud : on voit que le volume change significativement à partir d'une chute de 5MPa alors que les magmas moins chauds (1000°C et 975 °C par exemple) ont un volume qui augmente dès le début de la baisse de pression. Le magma le plus froid (925 °C) réagit beaucoup aussi malgré sa faible teneur en eau. Image :
I. J. Hamling1 & G. Kilgour

Comment? Que lis-je ?

Pour qu'un magma puisse faire éruption, donc se déplacer vers la surface et sortir, le bon sens, l'intuition, veut que ce soit plus simple si il est le plus fluide possible, donc si sa température est élevée, sa concentration en silice faible, la quantité d’eau élevée et peu de cristaux.

Or là il semble qu'à concentration en silice, eau et cristaux égales, les magmas les plus froids (- de 1000 °C), mais aussi les plus chauds (+ de 1025 °C) soient les moins éruptibles en cas de brusque chute de pression, car les bulles ne parviennent que difficilement à s'y former (il faut une chute de pression très importante) !

Le résultat est donc contre-intuitif et il semble qu'un magma:

- déjà un peu refroidit (mais pas trop)

- partiellement cristallisé (mais pas trop)

- contenant de l'eau (mais pas trop peu)

- de la silice (mais pas trop) etc, 

donc un magma qui serait juste ni trop jeune ni trop vieux serait le plus à même, sous l'effet des changements de contraintes dues à un séisme proche, de se mettre à faire des bulles, donc monter à une pression suffisante pour lui permettre de faire éruption.

En résumé :

• l'éruption fissurale de 2015 a visiblement mobilisé une zone d'accumulation superficielle de magma (un sill), déjà un peu âgé sans intervention d'un magma profond.
• Ce magma seul, statique, n'avait pas la possibilité de faire éruption.
• Le séisme de magnitude 6,4, de part ses caractéristiques et sa position, a pu provoquer, au niveau du sill un changement de contraintes qui s'est exprimé par une baisse de pression, insuffisante pour provoquer l'éruption.
• Mais elle a pu provoquer l'apparition de bulles necessaire à la mise en pression et à l'éruption, à condittion que le magma du sill n'ait pas été trop chaud (donc pas trop jeune, ce qui est contre-intuitif) ni trop froid, ait contenu une quantité importante d'eau, proche de la saturation et n'est pas été trop cristallisé (moins de 30% en volume de cristaux).

Il a donc fallu la rencontre entre une secousse positionnée à un endroit propice, ayant entraîné une baisse de pression pas trop importante au niveau d'une poche faite d'un magma « ni trop ni trop peu » pour que l'éruption fissurale de 2015 puisse avoir lieu.

La vache...il a vraiment fallu que ça tombe pile !

Et ce « juste pile comme il faut », ce « ni trop ni trop peu » s’appelle «principe de Boucles d'Or » (Goldylocks), en référence au célèbre conte de Grimm dans lequel la jeune fille choisit le bol qui n'est ni trop chaud ni trop froid.

Ben du coup j'ai tendance à voir cette petite éruption comme l'une des plus interessantes de la décennie écoulée!

* et le vrai, grand et beau défi, la véritable force de la science c'est, justement, d'objectiver.

Source : « « Goldilocks conditions required for earthquakes to trigger basaltic eruptions: Evidence from the 2015 Ambrym eruption » ; I. J. Hamling & G. Kilgour; in SCIENCE ADVANCES, 2020