Le volcan Nyos (Cameroun) mieux compris

L'idée de ce sujet m'a été inspirée via twitter par une question qui m'a été posée :  on me demandait si, oui ou non, la structure contenant le lac Nyos était un maar. Car dans la littérature à la disposition de l'auteur de la question (l'auteur du blog Distaster France en l'occurence), le terme n'était pas systématiquement employé. De mon côté j'avais lu il y a fort longtemps qu'il s'agissait d'un maar. Mais est-ce que mes lectures d'il y a longtemps étaient encore d'actualité? Les descriptions faites à l'époque étaient-elles encore bonnes? Et puis, plus largement, puis-je tout simplement me fier à mes souvenirs? J'ai donc préféré me faire une mise à jour et je suis tombé sur plusieurs articles récents.

1- Bon tout d'abord de quoi parle-t-on?

Le monde fait connaissance avec Nyos (et avec horreur) le 21 août 1986, lorsque 1746 personnes, plus de 3000 têtes de bétails et nombre d'animaux sauvages (vertébrés ou non) ont été tués dans une quasi-tranquillité, par une vague de CO2 qui a déferlé depuis le lac. Les témoignages font état d'un grondement sourd, et la présence d'un panache blanc juste avant et au moment des événements.

Les analyses menées par la suite ont permis de comprendre que le CO2, d'origine magmatique, s'était progressivement accumulé au fond du lac, profond de plus de 200 m (ce qui est vraiment très important). À haute pression l'eau peut dissoudre une quantité de CO2 bien plus importante qu'à la pression atmosphérique. Avec le temps donc le fond du lac s'est vu occupé par une couche d'eau saturée par une gigantesque quantité de CO2.

En 1986, un événement pas clairement identifié (mais peut-être un éboulement d'une paroi) a provoqué la remontée d'une partie de cette eau profonde, induisant sa décompression. Cette baisse de pression a permis au CO2 de commencer à former des bulles qui ont accéléré la remontée de cette eau et, par un effet de siphon, le reste de la nappe profonde a été entrainé vers le haut (provoquant sa décompression, la formation de bulles etc...). En quelques instants un énorme volume de cette couche d'eau saturée est remonté sous la pression du CO2. Parvenue à la surface, ce sont environ 800 millions de m3 de ce gaz qui ont été brusquement libérés dans une énorme gerbe, phénomène décrit par le terme "éruption limnique".

Puis ce CO2, plus dense que l'air ambiant, a coulé sur le sol, provoquant l’asphyxie des hommes et animaux domestiques (et insectes) cités plus haut, jusqu'à 27 km au nord du lac.

Par la suite un système de tuyaux a été mis en place pour dégazer la partie profonde du lac et il semble, d'ailleurs que l'équilibre entre la surface et le fond soit atteint depuis peu puisque Michel Halbwachs, une des personnes clé de ce système de dégazage, a publié un article en juillet 2020 intitulé "Final Step of the 32 year Lake Nyos degasing adventure : Natural CO2 recharge is to be balanced by discharge through the degasing pipes" ("Dernière étape des 32 années d'aventure du dégazage du Lac Nyos : La recharge naturelle en CO2 est sur le point d'être équilibrée par le dégazage à travers les tuyaux"). Et ça c'est une très bonne nouvelle!

Voilà pour un (très) rapide résumé de la catastrophe de 1986.

2 -Maintenant revenons sur la principale question du post : que sait-on concrètement de Nyos du point de vue de sa constitution géologique? 

Ben là finalement les réponses ont été peu nombreuses et imprécises du fait du manque d'études poussées sur le secteur, jusqu'à récemment.

Déjà, pour me remettre un peu Nyos en tête, je suis allé jeter un coup d'oeil au lac sur Google Earth  : sa forme m'a surpris. Je ne me souvenais pas qu'il n'est absolument pas circulaire et du coup, j'ai eu un moment de flottement : le lac occupait-il vraiment un maar?

La réponse est oui car depuis les années 80, et les rapports préliminaires des géologues, un dépôt caractéristique d'une activité phréatique et/ou phréatomagmatique avait été décrit. Mais il vrai que la morphologie du cratère est complexe. Et cela est dû à la situation géologique locale : l'activité explosive qui a ouvert le maar a eu lieu sur un système de fracturation important, développé à travers le socle rocheux.

L'activité explosive a vraisemblablement eu lieu sur plusieurs évents alignés, créant plusieurs  cratères d'explosions qui ont coalescé, donnant cette forme finalement complexe. C'est visiblement la partie nord de la fracture qui a été le siège de l'activité explosive principale : quant on voit les données bathymétriques, la forme quasi-circulaire du maar apparait plus clairement. Elle n'est toutefois pas totalement circulaire, j'y reviendrai en toute fin de post.

La bathymétrie du lac Nyos et les différentes strates de ce lac dit méromictique. Image: M.Halbwachs et al, 2020

Cependant soyons précis : le terme Nyos doit plutôt être utilisé pour la zone volcanique dont le maar n'est qu'un élément, et pas seulement pour le lac (dont le nom local est en fait Lwi). Car cette zone est aussi composée d'un cône de scories appelé Fon. Et cette petite zone volcanique de Nyos est un élément d'une zone volcanique plus vaste, appelée Zone volcanique d'Oku, composée de nombreux maars, cônes et dômes.

Donc "Nyos" n'est pas un volcan mais une petite zone volcanique, c'est à dire un  regroupement de plusieurs (2 en l'occurence) édifices volcaniques dits monogéniques ("formés en une seule éruption").

Une étude géologique Nippo-Camerounaise plus complète a récemment été publiée, pilotée par T.Hasegawa, et parue en 2019 dans  le JVGR (Journal of Volcanology and Geothermal Research). Elle s'était donné pour objectif d'y voir plus clair sur la chronologie relative (lequel s'était formé en premier?) du maar et du cône de scories Fon, d'apporter une description géologique détaillée permettant de reconstituer dans les grandes lignes les étapes de la formation de cette petite zone volcanique et d'apporter des éléments quand à la source des magmas qui ont été émis.

Du coup je vous fait passer les grandes lignes de ces grandes lignes!

L'étude en question résulte de la récolte d'échantillons sur une cinquantaine de sites dispersés sur environ 50 km², et de l'étude stratigraphique sur ces sites, afin de pouvoir ensuite les corréler entre eux et commencer à y voir claire.

 

Localisation des points des affleurements étudiés. En rouge, une coulée de lave, longue de 10 km environ et canalisée dans le lit d'une rivière qui a creusé son cours sur une faille. Image : Hasegawa et al, 2019

 

Le résultat de cette phase de terrain est la séparation de l'histoire géologique en deux périodes appelées "cycle A" et " cycle B" par les auteurs, et qui correspondent aux deux cycles éruptifs qui ont conduit à la mise en place du maar où se trouve le lac Lwi (cycle A) et au cône de scories Fon (cycle B).

Sur le terrain, chaque cycle est composé de plusieurs strates superposées, entre lesquelles il n'y a aucun paléosol suggérant :

- soit que chaque strate représente une éruption à des moments différents mais très très rapprochées dans le temps (mois-années tout au plus).

- soit que la succession des strates correspond à différentes phases d'une seule éruption.

Le fait que le passage d'une strate à l'autre soit progressif donne la préférence à la seconde solution et chaque cycle est interprété comme le résultat d'une éruption, c'est la raison pour laquelle le maar et le cône Fon sont décrits comme monogéniques. La zone volcanique de Nyos résulte donc de deux éruptions distinctes, mais chaque éruption a connu des phases différentes.

L'analyse de la localisation géographique des strates, des caractéristiques de ces dépôts et des fragments qui les composent, a permis de reconstituer l'histoire suivante.

Au départ de cette histoire, le terrain était visiblement assez humide puisque le cycle A commence par une activité phréatomagmatique, dont les restes sont très peu visibles (un affleurement de toute petite taille sur la rive est du lac actuel) : ce dépôt (A1) a donc disparu lors d'autres phases éruptives postérieures et/ou est totalement recouvert par les dépôts de ces autres phases et n'affleure donc pas facilement.

Rapidement l'activité devient purement magmatique et comme le magma est fluide, le dépôt correspondant  (A2) est constitué de scories. L'activité explosive permet d'arroser, jusqu'à plusieurs kilomètres, le paysage de l'époque de ces fragments de lave hérissés de pointes, plus ou moins poreux. Près du lac actuel, ce dépôt fait encore 10 m d'épaisseur. Mais alors que l'activité explosive continue de produire des scories, la coulée de lave longue de 10 km (A3) visible sur la carte plus haut se met en place. Mais l'activité finit par changer du tout au tout et devient paroxysmale.

Il semble, vue les caractéristiques du dépôt correspondant (A4), que cette fois une interaction beaucoup plus forte avec de l'eau se soit produite. L'activité explosive devient rapidement d'une grande violence, phréatomagmatique, et le socle est à nouveau pulvérisé, décaissé et ses fragments sont dispersés alentours avec les morceaux de roche en fusion. Cette activité explosive intense ouvre le maar qui, ensuite, se remplira d'un lac. 

La morphologie du maar ouvert lors de la dernière phase du cycle A. Image : degassing-nyos.com

La succession des dépôts du cycle A est bien visible sur la rive nord-est du lac.

La succession des dépôts de la première éruption. Il ne maque que l'unité A1 sur la photo, qui se trouve plus à droite sur la rive, hors de l'image. Image : Hasegawa et al, 2019

La partie supérieure du dépôt A4 est fortement altérée, transformée en sol : un temps assez long (plusieurs siècles au moins dans l'article) s'est donc écoulé avant que le cycle B ne débute.

Et celui-ci a été plus classique, dans le sens où l’interaction avec l'eau a été visiblement très limitée, voire inexistante. C'est à nouveau un magma fluide (une hawaïte d'après les analyses des auteurs) qui a percé la surface de la Terre. L'éruption a débuté de manière soutenue, dans une dynamique sub-plinienne (fontaine de lave intense, formation d'un panache de cendres haut de plusieurs kilomètres et un saupoudrage important du paysage alentour par des scories). La dispersion assez importante des produits de cette phase (B1) ne permet pas vraiment la construction du cône Fon.

Celle-ci débute lorsque l'activité devient plus calme, strombolienne, formant l'amorce du cône (B2). À la base du versant sud-ouest de ce cône, le paysage est marqué par une série de collines décrites comme des hummocks par les auteurs. 

Ces hummoks se forment lorsqu'un édifice devient instable et qu'une portion se décroche et glisse, formant une "avalanche de débris" : d'énormes morceaux de la portion se déposent alors en contrebas, formant des collines dans le paysage.

Mais les auteurs précisent qu'un effondrement n'est pas la seule explication possible et suggèrent que, peut-être, les failles locales ont pu à nouveau jouer un rôle et fragiliser le cône au cours de sa construction. Ils évoquent aussi, pour expliquer la présence de ces collines, qui semblent bien être des fragments du cône, un phénomène de "rafting". Il s'agit cette fois de la déstabilisation progressive du cône pendant l'éruption, puis son morcellement et l'entrainement des fragments par la mise en place d'une coulée de lave. Les hummocks seraient alors de grosses portions du cône emportés sur le dos d'une coulée.

C'est à peu près au moment de cette séquence d'instabilité qu'une activité explosive se produit à la base du versant nord-est du cône Fon, formant un cratère. Puis l'activité se calme et une nouvelle et courte coulée de lave se forme, couvrant une partie de la précédente.

Puis le calme revient....et depuis il n'y a pas eu d'autre éruption volcanique, seulement l'éruption limnique de 1986 à ce que l'on sait.

3- Ah mais au fait: depuis quand ?

La question concernant l'âge de ces événements semble ne pas avoir été une question simple à résoudre puisque selon les méthodes utilisées, l'âge donné à varié entre 400 ans et.... 350 000 ans!!!! Toutefois les méthodes utilisées pour donner ces deux extrêmes n'ont visiblement pas été calibrées correctement et ces âges n'ont pas de raison d'être retenus. Par ailleurs, 350 000 ans peut-être facilement exclu car la morphologie des structures volcaniques (cône, maar, coulées etc) est incompatible avec un âge si ancien.

C'est une équipe pilotée par Christoph Schmid qui a tenté de dater la formation du maar, par thermoluminescence. Les mesures ont été faites sur des quartzs contenus dans le dépôt A4 et les résultats et méthodes ont été publiés en 2017. Ils arrivent à un âge de 12300 +- 1500 ans mais  considèrent que cette valeur représente un "âge maximum" et que le maar pourrait être un peu plus jeune.

Un des échantillons du dépôt A4, prélevé près du lac. Ce sont les grains de quartz qui ont été prélevés pour faire une datation par thermoluminescence. Image : Schmidt C et al, 2017

L'équipe de Takeshi Hasegawa, de son côté, avait fait des prélèvements de matière organique dans le paléosol séparant A4 et B1 mais les datations n'ont rien donné de probant. Ils font toutefois écho dans leur article de datations au carbone 14 dans les sédiments d'un autre lac proche (le lac Njupi). Les plus anciens sédiments du lac donnent un âge de près de 3400 ans BP...et aucune trace de dépôt volcanique n'est présent dans les sédiments de ce lac. En tout état de cause, la formation du maar de Nyos a donc eu lieu quelque part dans le temps entre 3400 et 12300 +- 1500 ans BP.

La question de l'âge de Nyos n'est donc pas encore vraiment tranchée.

Pour terminer l'équipe de Takechi Hasegawa a fait plusieurs types d'analyses chimiques très fines sur des échantillons des deux éruptions pour en identifier la source. Ce qui ressort des analyses semble indiquer que c'est un manteau asthénosphérique qui a fondu. Mais qu'en plus, longtemps avant sa fusion, la composition de ce manteau avait été modifiée par des circulations de fluides carbonatitiques, des fluides du même type que ceux qui sortent au sommet de l'Ol Doynio Lengai actuellement. 

* et en fait ces phases d'effondrement latéraux sont un élément classique de la formation du maar. Sauf que là, les effondrements ont été contrôlés par la présence des failles, raison pour laquelle la forme finale du maar est un peu angulaire. 

Aparte concernant le dépôt A4 et la formation du maar

Dans l'article de T.Hasagawa une estimation du volume du dépôt A4 est donnée pour 0.48 km3. Le pourcentage de fragments autres que la lave (majoritairement du socle) dans ce dépôt est évalué à 3% par les auteurs. D'un autre côté j'ai trouvé dans un autre article (M.Tchindjang, Geosciences en 2018) une estimation du volume du lac, donc le volume du maar : ~251 millions de m3 (~0.25 km3). Or 3% de 0.48 km3 donne 0.0144 km3 : ça fait une sacré différence! La quantité de fragments de socle dispersé dans les dépôts est bien trop faible pour expliquer la taille du maar!

Idée 1 : comme la première phase phase de l'éruption était phréatomagmatique aussi, avec un dépôt dont le volume n'a pas pu être estimé mais qui contenait plus de 5% de fragments de socle, il est possible que le maar ait été produit en deux étapes : ouvert lors de la phase A1 et élargit à la phase A4. Le reste des fragments de socles est donc peut-être dans le dépôt A1.

Dans cette hypothèse on peut déduire une estimation du volume du dépôt A1 puisque le volume du maar = le volume des fragments de socle dispersés dans A1 + le volume des fragments de socle dispersés dans A4. Soit 0.25 km3  = volume A1 x 5% + 0.48km3 x 3%. Ce qui amène à une estimation du volume de A1 d'environ...4.7 km3! Environ 10 fois plus que pour le dépôt A4! Et il ne resterait de ce dépôt qu'un petit bout sur la rive du lac? C'est incohérent : cette idée ne peut être retenue telle qu'elle. Même si on ne peut exclure que le maar ait été ouvert au début de l'éruption, puis agrandit à la fin lors du paroxysme, les explosions phréatomagmatiques seules n'ont visiblement pas pu ouvrir tout le maar.

Idée 2 : plusieurs auteurs ont constaté que le maar a une forme relativement angulaire (ça se voit plutôt bien sur la carte bathymétrique), notamment du fait que la zone est intensément fracturée. Mais lorsqu'une activité explosive intense à lieu, elle ne tient pas vraiment compte des failles : les roches sont pulvérisées et les explosions successives forment un trou plutôt circulaire. Si une forme plus angulaire a pu s’exprimer c'est probablement parce que les failles du secteur ont eu un rôle à jouer dans l'histoire. Ainsi les auteurs soulignent qu'après une période assez longue (plusieurs semaines, peut-être plusieurs mois) de stabilité éruptive qui a permis la mise en place de la longue coulée A3 (10 km ce n'est pas rien), l'activité est devenue violemment explosive, phréatomagmatique, parce que de l'eau a pu à nouveau s'infiltrer, en grande quantité cette fois, près du dyke éruptif (la cheminée volcanique). Comment un tel changement a-t-il pu avoir lieu? Ils évoquent la possibilité d'un affaissement de la zone éruptive avec des fragments de socle qui glissent le long des failles présentes, sans toutefois creuser cette question.

Cette seconde idée mêlant explosions et effondrement est mieux à même d'expliquer que le volume final du maar (0.25 km3) soit nettement supérieur au volume des fragments dispersés dans les dépôts A1 et A4 (les 3% dans le dépôt A4, le plus important visible sur le terrain, représentent déjà  0.0144 km3).

Fin de l'aparte.

Sources :

"Eruption history and petrogenesis of rocks from Nyos volcano (NWCameroon): Evidence from lithostratigraphy and geochemistry"; Takeshi Hasegawa et al, 2019, JVGR

Schmidt C, Tchouankoue JP, Nkouamen Nemzoue PN, Ayaba F, Nformidah-Ndah SS, Nformi Chifu E (2017) "New thermoluminescence age estimates for the Nyos maar eruption (Cameroon Volcanic Line)". PLoS ONE

M.Tchindjang, 2018, Geosciences :"Lake Nyos, a Multirisk and Vulnerability Appraisal" 

M.Halbwachs et al, 2020 : "Final step of the 32-year Lake Nyos degassing adventure: Natural CO₂ recharge is to be balanced by discharge through the degassing pipes"; Journal of African Earth Sciences