Après le séisme de M 4,8 qui a secoué Yellowstone le 30 mars dernier, certaines personnes ont prétendu que les émissions d’hélium étaient en hausse dans la caldeira, signe d’une éruption à court terme. Même si une telle affirmation va trop loin, il est indéniable qu’il existe une relation entre l’hélium et l’activité volcanique ou magmatique. Il y a quelques années, j’ai mentionné l’importance de l’hélium à propos des émissions gazeuses sur les basses pentes de l’Etna (voir le résumé de mon étude dans la colonne de gauche de ce blog).

Suite à l’événement sismique à Yellowstone, Erik Klemetti, professeur de Sciences de la Terre à l’université Denison, a écrit un article très intéressant intitulé « Ce que l’hélium peut nous dire à propos des volcans » : http://www.wired.com/category/eruptions

Erik nous explique que le rapport entre les deux isotopes naturels de l’hélium (3He et 4He) peut nous donner des informations sur l’origine de l’hélium. En effet, l’hélium provient de deux sources principales : (1) le manteau, qui renferme l’hélium apparu lors de la formation de la planète et (2) la croûte, où l’hélium provient de la désintégration radioactive d’éléments comme l’uranium et le thorium. Ces deux sources d’hélium montrent cependant quelques différences. L’hélium mantellique est dominé par le 3He (2 protons, 1 neutron), tandis que la désintégration des éléments dans la croûte va produire le 4He (2 protons, 2 neutrons).
Cela signifie que lorsque l’on mesure le rapport isotopique de l’hélium en provenance du sol, des sources chaudes, des puits ou des fumerolles, on peut déterminer la quantité d’hélium produite lors du dégazage du magma en provenance du manteau, ou par la désintégration radioactive de l’uranium et du thorium dans la croûte.

Erik Klemetti explique les émissions d’hélium à Yellowstone en faisant référence à un article publié par Jake Lowenstern (responsable de l’Observatoire de Yellowstone ) et d’autres scientifiques dans la revue Nature le 19 février 2014. Les auteurs ont constaté que les zones qui produisaient le plus d’hélium étaient situées dans la bordure méridionale de la caldeira. Ces zones libèrent essentiellement de l’hélium provenant de la croûte, et non du magma qui se trouve sous Yellowstone. Selon l’étude, les proportions les plus élevées de 3He/4He se situent au cœur de la caldeira. Lowenstern et les autres scientifiques ont calculé la quantité de 4He que la croûte sous Yellowstone était susceptible d’émettre en se basant sur les proportions d’uranium et de thorium. Ils ont constaté que la région de Yellowstone libère près de 600 fois plus de 4He qu’elle le devrait, si l’on se base sur la désintégration de l’uranium et du thorium. Cela signifie probablement que le volcan de Yellowstone laisse échapper de l’hélium qui est resté emprisonné dans la croûte pendant des millions, voire des milliards d’années. L’hélium de Yellowstone n’est en aucune façon lié au magma qui se trouve sous la caldeira ; il a probablement quitté la croûte lors de séismes ou sous l’effet du réchauffement de la croûte par le magma.

Erik Klemetti conclut son article en écrivant que la quantité d’hélium émise ne nous dit pas grand-chose sur l’activité volcanique dans la mesure où l’hélium, quel qu’il soit, peut se trouver libéré au cours des épisodes sismiques qui affectent un volcan. Il faut connaître le rapport 3He/4He pour comprendre si les variations des émissions d’hélium ont une origine magmatique.  Le problème est qu’il n’existe pas de moyen facile et peu coûteux pour obtenir des mesures rapides des ratios 3He/4He sur le terrain. Les échantillons doivent être acheminés à un laboratoire pour y être analysés.
Si on ne prend en compte que la quantité d’hélium produite par un volcan, on n’obtient qu’une pièce du puzzle de l’activité volcanique. Malgré tout, les mesures des émissions d’hélium et de leur composition isotopique sont d’une grande utilité. Comme on vient de le voir,  il existe à Yellowstone un important volume d’hélium stocké dans la croûte qui peut être libéré par des processus non liés à des phénomènes qui pourraient conduire à une éruption.

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After the M 4.8 earthquake that rocked Yellowstone on March 30th, some people pretended that helium emissions were rising in the caldera, meaning an eruption was to take place in the short term. Even though such a direct statement goes too far, it is undisputable that a relationship exists between helium and volcanic – or rather magmatic – activity. A few years ago, I mentioned helium about the gaseous emissions on the lower slopes of Mount Etna (see abstract of this study in the left-hand column of this blog).

In the wake of the seismic event at Yellowstone, Erik Klemetti, an assistant professor of Geosciences at Denison University, wrote a very interesting article entitled “What helium can tell us about volcanoes”: http://www.wired.com/category/eruptions

Erik explains us that the ratio between helium’s two naturally-occurring isotopes (3He and 4He) can tell us about the source of the helium. Indeed, helium can come from two main sources: (1) the mantle, that includes helium from the formation of the planet, and (2) the crust, where it comes from the radioactive decay of elements like uranium and thorium. These two sources of helium, however, show some differences. Mantle-derived primordial helium is dominated by the 3He (2 protons, 1 neutron) while the decay of elements in the crust will produce the 4He (2 protons, 2 neutrons).

This means that when you measure the isotopic ratio of helium being released in soils, hot springs, wells or fumaroles, you can determine how much of that helium is being derived from either degassing of magma coming from the mantle or from the radioactive decay of uranium and thorium in the crust.

Erik Klemetti explains the helium emissions at Yellowstone with reference to an article published by Jake Lowenstern (scientist in charge of the Yellowstone Observatory) and others in the journal Nature on February 19th 2014. The authors found that the most productive areas of helium emissions were located in the southern margin of the caldera. These areas are mainly releasing helium derived from the crust, not any magma underneath Yellowstone. According to the study, the highest 3He/4He ratios are in the heart of the caldera. Lowenstern and others calculated how much 4He the crust underneath Yellowstone could produce based on the uranium and thorium content. They found that the Yellowstone area releases almost 600 times more 4He than it should, based on the decay of uranium and thorium. This means that it is probably releasing helium that has been trapped in the crust for millions to billions of years. This helium at Yellowstone is in no way related to the magma underneath the caldera, but has likely been freed from the crust by the earthquakes and heating of the crust done by the magma.

Erik Klemetti concludes his article by writing that he amount of helium being released doesn’t tell us much about volcanic activity, as helium of any sort might be liberated by earthquakes under a volcano. We need to know the ratio of 3He/4He of that helium to understand whether the changes in emissions are actually related to magma. The problem is that there is no easy way to get fast and cheap measurements of the 3He/4He ratios in the field. The samples need to be taken to a laboratory to be analysed.

If you only consider the amount of helium being released at the volcano, you’re only getting a piece of the full picture of volcanic activity. However, you can learn a lot from measuring helium emissions and their isotopic composition. At Yellowstone, there is a significant volume of stored helium in the crust that can be released by processes unrelated to anything that could lead to an eruption.

Photo:  C.  Grandpey