II Le volcanisme. INTRODUCTION : les séismes ne sont pas les seuls en cause dans l'évolution des paysages d'origine interne ; les éruptions volcaniques transforment elles aussi des transformations. Cherchons quelles sont ces transformations, quelles en sont les causes, où elles peuvent se produire, et comment s'en protéger. Remarque : les maquettes de cette synthèse d'exposés ont été réalisées, montrées et expliquées par des élèves ; de même les photos sont celles qui ont été montrées en diaporama. Les explications en caractères italiques et de cette couleur sont celles données par des élèves pour leurs explications. 1) Les manifestations des volcans. Activité 1 : obs. des manifestations des volcans : On observe de la lave qui jaillit et qui coule. On déduit qu elle est liquide. On observe qu elle est de couleur orangée. On déduit qu elle est très chaude. On observe des éclaboussures. On déduit qu elle contient des gaz qu elle libère en sortant du volcan. On observe qu elle sort de l intérieur du cône volcanique. On déduit qu elle vient de l intérieur du globe terrestre (on ne sait pas de quelle profondeur car ce n est pas visible sur la photo) ; on appelle «magma» ce liquide très chaud contenant des gaz dissous et sortant des entrailles de la Terre.
Une éruption volcanique est l arrivée en surface d un magma, composé d un mélange de roches fondues contenant des gaz. C est de la matière minérale en fusion. Dès qu il atteint la surface, les gaz s échappent autant qu ils le peuvent et le magma prend alors le nom de lave. Une éruption volcanique se manifeste donc par une émission de gaz et de lave. Si le magma est fluide, les gaz peuvent s échapper facilement et la lave coule facilement, alors que si le magma est visqueux, les gaz ont du mal à s échapper. On observe deux types d éruptions : - Les éruptions effusives, caractérisées par des coulées de lave ; la lave est fluide et les gaz ont donc pu s échapper facilement. Ex. : le Piton de la Fournaise (Île de la Réunion) (altitude : environ 2630 m). Photos du Piton de la Fournaise, visibles sur le site officiel du Piton de la Fournaise : éruption du Piton de la Fournaise le 02-04-2007 : éruption du Piton de la Fournaise le 04-04-2007 :
éruption du Piton de la Fournaise le 12-04-2007 : éruption du Piton de la Fournaise le 13-04-2007 :
éruption du Piton de la Fournaise le 14-04-2007 : éruption du Piton de la Fournaise le 25-04-2007 : éruption du Piton de la Fournaise le 29-04-2007:
Le magma de ces volcans effusifs est fluide, si bien que les gaz emprisonnés peuvent s échapper et que la lave peut couler facilement. La température de la lave atteint 1200 C. Les coulées vont toutes dans la même direction et restent à l intérieur d un cirque d effondrement (appelé «l enclos») dans lequel est situé le cratère. Cet effondrement s est produit il y a longtemps, quand le réservoir de magma sous le volcan s est partiellement vidé ; il s est à nouveau rempli et crache régulièrement de la lave depuis. Cette particularité rend le volcan relativement inoffensif, car la grande partie de l île étant située en dehors de l enclos, les habitants ne risquent rien. Par contre, l inconvénient est qu à chaque éruption, une ou deux coulées recouvrent à cet endroit la route qui fait le tour de l île, obligeant les réunionnais à contourner toute l île et à reconstruire une autre route : On voit sur la photo l ancienne route recouverte par la lave solidifiée et partiellement dégagée pour montrer où elle passait. A chaque fois, l île s étend de quelques hectares supplémentaires. C est toujours une attraction pour les touristes comme pour les locaux, dont certains n hésitent pas à contourner les barrages de sécurité pour s approcher des coulées, parfois de trop près au point d y laisser une chaussure fondue! voire y laisser la vie. On peut descendre dans l enclos pour aller au bord du cratère quand il n est pas en éruption bien sûr :
On remarque qu il y a au NO du Piton de la Fournaise un autre volcan, éteint celui-là : le Piton des Neiges. On explique cela par un déplacement du point chaud (voir plus loin) à l origine du volcan ; ce point chaud continue à se déplacer vers le SE, ce qui explique le sens des coulées. Il est probable que le Piton de la Fournaise est destiné à s éteindre dans un avenir plus ou moins lointain et à être remplacé par un autre volcan actif. D ailleurs, un jeune cratère est en train de se former dans la mer près de la côte au SE et pourrait être le remplaçant du Piton de la Fournaise. - Les éruptions explosives, caractérisées par des explosions projetant des matériaux (cendres, blocs ), car la lave est visqueuse donc les gaz n ont pas pu s échapper facilement. Ex. : le Mont St-Helen (États-Unis) ; la Montagne Pelée (Martinique). Remarque : le panache de cendres qui s'échappe d'un volcan explosif est appelé nuée ardente. Voir une photo du Mont St Helens consultable sur le site officiel du Piton de la Fournaise : MtSt-Helens le 22-10-2009 : Voici aussi des photos d autres volcans explosifs : éruption du Sarychev le 12-06-2009 :
éruption du Pinatubo en1991 : - Le magma de ces volcans explosifs est visqueux, si bien que les gaz ne peuvent s échapper. Un dôme de lave solidifiée se forme, puis, lorsque la pression des gaz emprisonnés devient trop forte, il y a une violente explosion qui s accompagne d un panache de cendres (appelé nuée ardente) et de fragments de roches plus ou moins gros ; la température atteint 300 C. - Histoire de la Montagne Pelée de la Martinique : le 8 mai 1902 à 7 h 50, une éruption a détruit la ville de Saint-Pierre, à la base du volcan, au bord de la mer, en moins de deux minutes. Des nuées ardentes, nuages de cendres et de soufre, émis à la température de 1000 C, ont dévalé la pente du cône volcanique à la vitesse de 200 km/h. Ajoutons que l éruption avait été prévue intuitivement par une partie de la population, notamment des gens qui avaient remarqué que les fumerolles leur semblaient différentes, que les animaux leur semblaient anormalement nerveux, etc Le maire de la ville de Saint-Pierre, au pied du volcan, prétendait qu il s agissait de rumeurs sans fondement et qu il ne voyait pas la nécessité d évacuer la population. Des historiens pensent que cette décision était politique, car des élections législatives étaient prévues dans ces moments-là et il ne voulait pas les annuler. Le député qu il soutenait a même tenu à rassurer lui-même la population en venant s installer avec son épouse dans la ville quelques jours avant l élection. Cette décision leur fut fatale car l éruption eut lieu justement avant l élection. Les 28000 habitants périrent. Ajoutons aussi que l anecdote qui suit a longtemps été racontée à propos de cette éruption : il y aurait eu un survivant, protégé de la nuée ardente parce que il était enfermé dans un cachot pour s être enivré la veille (il avait été arrêté pour tapage nocturne). C était un certain Syparis. Il aurait survécu à la catastrophe car le cachot avait des murs très épais et une seule ouverture toute petite au-dessus de la porte, orientée dos à la pente du volcan, ainsi que le montre la photo ci-dessous, si bien que la chaleur de la nuée ardente n a pas chauffé le cachot et que les cendres n ont pas pénétré à l intérieur du bâtiment, elles ont «coulé» par-dessus. Cette anecdote a été mise en doute par des historiens depuis et reste très hypothétique.
2) L'origine du magma et du volcan. Activité 2a : recherche de l origine du magma ; recherche du lien avec les deux types de volcans. - Le magma est contenu dans un ou plusieurs réservoirs magmatiques situés à plusieurs kilomètres de profondeur dans la croûte terrestre. Quand il monte vers la surface, il exerce une forte pression qui fracture les roches environnantes, ce qui provoque des séismes. Remarque : il y a quelques décennies, on appelait les réservoirs de magma «chambres magmatiques».
Exemple pour un volcan explosif : - La lave arrivant en dehors du volcan se refroidit, donc elle se solidifie et se transforme en roche volcanique ; les matériaux émis (coulées de lave ou retombées de cendres) se superposent au cours des éruptions successives et aboutissent à la formation d un édifice volcanique en forme de cône avec un cratère généralement au sommet. Activité 2b : recherche des causes de la montée du magma vers la surface. - Ce qui fait monter le magma en surface, autrement dit, le déroulement d une éruption volcanique : voir activité réalisable à la maison ; on secoue un peu puis on ouvre une bouteille de boisson gazeuse. On observe que des bulles sont visibles dans l eau avant l ouverture de la bouteille que l on vient de secouer, que ces bulles deviennent de plus en plus nombreuses et de plus en plus grosses et qu elles remontent à la surface à l ouverture de la bouteille, entraînant ainsi l eau vers la sortie. Explication : quand on observe une bouteille de boisson gazeuse non secouée, on ne voit pas les gaz car ils sont dissous. Si on la secoue, on augmente la pression dans la bouteille et si on ouvre, la pression est encore élevée mais diminue progressivement et assez rapidement à cause de la liaison avec l extérieur. Les gaz dissous passent alors à l état gazeux et forment donc des bulles, qui s échappent par l ouverture en entraînant le liquide en dehors. C est le même phénomène qui explique l éruption volcanique, sauf que l augmentation de pression dans le réservoir magmatique ne se produit pas quand on secoue le réservoir magmatique (c est en effet impossible!) mais quand la température à l intérieur s élève ; en effet, le volume d'une substance augmente avec la température, on dit qu'il y a dilatation.
Donc dans la réalité, quand la pression augmente (à cause d une augmentation de température), et qu il y a une fissure reliant le réservoir magmatique à la surface du sol (ce que l on appelle communément la cheminée), la pression diminue dans le magma, si bien que les gaz dissous sont libérés et forment des bulles dans le magma, ce qui l entraîne vers la surface (comme les bulles entraînent la boisson gazeuse à l extérieur de la bouteille dont on vient d enlever le bouchon) : c est l éruption. Si le magma est visqueux : les gaz ne peuvent pas s échapper facilement et il y a explosion. Voici des maquettes réalisées par les élèves pour montrer comment les bulles présentes dans un liquide peuvent faire monter le magma vers la surface. Pour le vrai volcan, le liquide est le magma ; pour la maquette, c'est un mélange de vinaigre d'alcool blanc et de bicarbonate de sodium, qui réagissent chimiquement en «faisant effervescence», c'est à dire en produisant du dioxyde de carbone, qui fait des bulles dans le mélange liquide. 1) Maquettes de volcans effusifs : Pour cette première maquette, les élèves ont réalisé un cône creux, avec un tube imperméable posé verticalement au centre (photo ci-dessous). Ils ont ensuite versé dans le tube (invisible) les réactifs.
Au bout de quelques instants, on a pu faire l'observation suivante : Pour cette deuxième maquette, les élèves ont amélioré la représentation en ajoutant dans leur mélange liquide un colorant rouge concentré (éviter les produits gras ou sucrés qui collent!)
Pour cette troisième maquette, les élèves ont montré le montage permettant de modéliser l'éruption sans mettre les réactifs (vinaigre coloré en rouge et bicarbonate de sodium) directement dans le cratère, mais en les faisant arriver dans une bouteille (symbolisant le réservoir magmatique) par l'intermédiaire d'un tuyau. 2) Maquettes de volcans explosifs : Pour cette première maquette, les élèves ont réalisé un cône creux, avec un tube imperméable posé verticalement au centre. Ils l'ont posé au fond d'un aquarium et ont modélisé un paysage environnant avec des constructions, de la végétation, des cultures, des cours d'eau... Ils ont rempli d'eau sur une hauteur importante, cette eau modélisant l'atmosphère (milieu fluide comme l'air). Un tube a été placé entre la surface de l'eau et le tube caché dans le cratère afin de pouvoir verser les réactifs au fond de l'édifice volcanique. Ils ont utilisé les mêmes réactifs que précédemment, mais ont ajouté du talc pour modéliser les cendres. Ils ont ensuite versé les réactifs dans le tube. Voir photos ci-dessous.
Pour cette deuxième maquette, les élèves ont voulu montrer que les gaz sous pression (produits par la réaction chimique dans la maquette, par la chute de pression due à la communication avec l'extérieur dans la réalité) accumulent de l'énergie qui se libère brutalement en provoquant une explosion qui expulse vers le haut le bouchon (qui modélise les roches issues du refroidissement de l'éruption précédente). Aussitôt, le magma arrive à la surface, et les premières cendres apparaissent, sous forme d'une nuée ardente qui commence à dévaler la pente de l'édifice volcanique : 3) La répartition des volcans actifs dans le monde. Activité 3 : recherche de la localisation des zones volcaniques du globe à partir d un planisphère ; comparaison avec la carte des reliefs du globe.
Les volcans actifs ne sont pas répartis au hasard à la surface du globe ; ils semblent répartis sous forme d alignements : - autour de l océan Pacifique (en bordure de continent, dans les arcs insulaires et le long des grandes fosses), pour les volcans explosifs. - au niveau de l axe des dorsales océaniques, pour les volcans effusifs. On trouve cependant quelques volcans isolés (ex. : Hawaï). Ces volcans s expliquent par l existence de «points chauds» isolés, la chaleur localisée provoquant une élévation de température à l origine de la fusion partielle des roches à plusieurs km de profondeur d où création d un réservoir magmatique, puis une augmentation de la pression à l origine de la montée du magma vers la surface ; si la quantité de magma émis est énorme, il se forme une île volcanique à l endroit où il y a le point chaud, parfois en plein milieu d un océan. 4) Prévoir les éruptions volcaniques et prévenir les risques liés au volcanisme. Voir le site officiel du Piton de la Fournaise : www.fournaise.info onglet «fournaise» page «techniques d'étude». Pour limiter les risques volcaniques, on peut surveiller les volcans grâce aux signes précurseurs de l éruption : - une activité sismique (en effet, on l a déjà vu, quand il monte vers la surface, à cause de la pression qu il exerce, le magma fracture les roches environnantes, ce qui provoque des séismes) - des déformations du sol (le volcan gonfle) (en effet, quand il monte vers la surface, à cause de sa forte chaleur, le magma dilate les roches environnantes) - un changement de composition chimique des fumerolles
- une augmentation de température (en effet, quand il monte vers la surface, à cause de sa forte chaleur, le magma réchauffe les roches environnantes). Ces signes sont dus à la montée du magma dans le volcan. Les risques sont évalués en tenant compte des éruptions historiques donc du fonctionnement de chaque volcan. Si une éruption s annonce, alors on évacue les populations concernées par le risque. CONCLUSION : les éruptions volcaniques, d'origine interne, car le magma est issu de la profondeur de la croûte terrestre, transforment les paysages ; toutefois, contrairement aux séismes, on peut prévoir les éruptions suffisamment à l'avance pour évacuer les populations concernées, ce qui se passe d'autant mieux qu'elles sont informées et entraînées. Voir schéma-bilan page suivante