Simuler la cristallisation des Magmas

Simuler la cristallisation des magmas

Le volcan Mérapi (Indonésie) pris depuis le volcan dont Laurent doit me donner le nom (@Laurent Arbaret)

Par l’expérimentation en pression et température, nous sommes capables de simuler les processus magmatiques fondamentaux tels que le dégazage ou la cristallisation. Ici quelques mots et des illustrations sur cette activité de pétrologie expérimentale sur les systèmes magmatiques qui nous permet, entre autre, de définir les conditions pré-éruptives, c’est à dire, les conditions de stockage du magma à l’intérieur de la Terre juste avant l’éruption. Curieusement, les études réalisées sur des dizaines de volcans actifs nous indiquent que la plupart des éruptions démarrent de réservoirs situés à une profondeur de 6 km sous la surface. Une règle générale qui demeure une énigme pour les volcanologues.

Un savoir-faire qui a fait la réputation du groupe MAGMA est la simulation en laboratoire de la cristallisation de magma. Par des expériences simulant pression, température, et activité des fluides magmatiques, nous sommes capables de reproduire et de reconstruire l’histoire vécue par le magma avant qu’il n’atteigne la surface et devienne lave ou avant qu’il ne se fige totalement en profondeur formant alors ce qu’on appelle une roche intrusive, tel qu’un granite.
Cette reconstruction s’opère à partir de l’analyse pétrographique de la roche magmatique décrivant la nature, proportion et composition des phases cristallines et de la matrice (amorphe) que l’on cherche à reproduire en laboratoire. Les cristaux qu’on trouve dans une roche volcanique et leur composition sont des indicateurs potentiellement précis des conditions du réservoir magmatique précédant l’éruption. La matrice, amorphe, c’est à dire sous la forme de verre, ou micro-cristallisée, comme le montre la première photo ci-dessous, est représentative du liquide magmatique. Souvent, nous supposons que ce liquide magmatique est à l’équilibre avec les cristaux précédemment décrits. Des tests d’équilibres peuvent être réalisés. La base conceptuelle de ces tests repose souvent sur une approche expérimentale.
Une fois la preuve faite que l’assemblage cristaux et matrice de la roche sont à l’équilibre, des expériences sont réalisées de façon à définir en laboratoire les conditions de pression, de température, et d’activité (cad les teneur) en fluide reproduisant l’assemblage minéralogique de la roche volcanique. La seconde image ci dessous montre l’assemblage minéralogique synthétisé en laboratoire reproduisant parfaitement celui montré dans la première image. On trouve un verre constituant la matrice, des cristaux d’olivine (noir) de pyroxene (gris clair) et des grains arrondis de sulfures. Cette expérience est réalisée à 2000 bar, 1150°C, avec 3 pour cent d’eau dans la roche.

Photo de lame mince d'une roche basaltique montrant olivine, pyroxène, sulfure et une matrice micro-cristallisée
Image obtenue au Microscope Électronique à Balayage d'un échantillon synthétique de basalte montrant le verre de matrice en gris sombre, les olivines en gris noir, les pyroxènes en gris clair, et des sphères de liquide sulfuré.

Cet exercice de reconstitution de conditions pré-éruptives a été conduit par l’équipe sur plusieurs éruptions emblématiques telles que la Montagne Pelée (1903), l’éruption de Pompei au Vésuve (79 Av JC), le Mont Pinatubo (1991), et Santorin (âge de bronze) pour lesquels nous sommes capables de définir les conditions pré-éruptives. Aujourd'hui, les volcans d’Amérique centrale sont ciblés par l'équipe tel que le Cotopaxi (Voir photo ci-dessous).

Ce qui caractérise ces systèmes volcaniques, c'est un temps de repos important entre chaque éruption, donnant lieu à des évènements volcaniques de grande ampleur. Outre ces systèmes à temps de repos important, des systèmes tel que le volcan Mérapi (Indonésie, photo en haut) à fréquence d'éruption élevée ont aussi fait l'objet d'études de l'équipe.

Eruption du Vésuve de 1631. Dessin de Scipione Compagno (Vienna Kunsthistorisches Museum) cf: Guidoboni, Emanuela, Vesuvius: A Historical Approach to the 1631 Eruption “Cold Data” from the Analysis of Three Contemporary Treatises, Journal of Volcanology and Geothermal Research (2008), doi: 10.1016/j.jvolgeores.2008.09.020
Le Cotopaxi (Equateur) est étudié par l’équipe pour la diversité des compositions de laves qu’il produit. On trouve en effet des compositions très fractionnées telle que des rhyolites et des magmas plus primitifs tel que des andesites pouvant etre riche en magnésium ou en silice. Une énigme sur la différentiation des magmas. (@Caroline Martel)