Les choux-fleurs de la planète Mars // The cauliflowers of Mars

drapeau-francaisLes images de Mars envoyées par les différentes sondes et autres robots semblent donner la preuve qu’il y a eu un jour de l’eau et un climat plus chaud et plus humide sur la planète rouge, mais les scientifiques ne savent toujours pas si la vie a laissé son empreinte à sa surface.
Les roches recueillies par le rover (en français l’astromobile) Spirit en 2008 près de l’affleurement rocheux Home Plate, dans le cratère Gusev, pourraient apporter une réponse. Leurs protubérances bosselées ressemblent étrangement à un chou-fleur ou du corail.

CauliflowerGros plan sur des roches silicatées recueillies par le rover Spirit

(Crédit photo: NASA)

La question est de savoir si ces roches ont été façonnées par des microbes, par le vent ou un autre processus.
Les analyses effectuées par le spectromètre à émission thermique Mini-TES à bord de Spirit ont révélé qu’elles sont composées de silice presque pure (SiO2), un minéral qui est très répandu dans les environnements volcaniques à haute température. Sa formation est bien connue: l’eau de pluie s’infiltre dans les fissures du sol et entre en contact avec des roches chauffées par le magma en profondeur. Portée à des centaines de degrés, l’eau devient dynamique et remonte en direction de la surface en dissolvant en chemin la silice et d’autres minéraux avant de les déposer autour d’une bouche ou une fumerolle. Ces dépôts se rencontrent autour des sources chaudes dans le Parc National de Yellowstone aux États-Unis, dans la zone volcanique de Taupo en Nouvelle-Zélande, ou encore en Islande.

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Dépôts de geysérite à Yellowstone et en Nouvelle Zélande

(Photos: C. Grandpey)

Dans ces sites, les bactéries sont intimement impliquées dans la création de curieux bulbes et d’étranges ramifications dans des formations de silice qui ressemblent fortement aux roches martiennes en forme de chou-fleur. C’est la raison pour laquelle plusieurs chercheurs de l’Université de l’Arizona étudient la possibilité de l’implication des microbes dans l’élaboration des roches martiennes.
Source: Universe Today : http://www.universetoday.com/

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drapeau anglaisThe images of Mars sent by the different probes and rovers tend to give evidence of water and a warmer, wetter climate on the Red Planet, but scientists still do not know whether life ever put its stamp on its surface.
Rocks collected by the Spirit Rover in 2008 near the rock outcrop Home Plate in Gusev Crater might give some answer. Their knobby protuberances look like cauliflower or coral.

The question is to know whether these rocks were sculpted by microbes, wind or some other process.
Analyses performed by the Spirit Rover’s Mini-Thermal Emission Spectrometer (or Mini-TES) revealed they were made of nearly pure silica (SiO2), a mineral that is very common in hot, volcanic environments. Its formation is well-known: Rainwater seeps into cracks in the ground and comes in contact with rocks heated by magma from below. Heated to hundreds of degrees, the water becomes buoyant and rises back toward the surface, dissolving silica and other minerals along the way before depositing them around a vent or fumarole. Such deposits are to be seen around the hot springs in Yellowstone National Park in the U.S., in the Taupo Volcanic Zone in New Zealand, or else in Iceland.

In such places, bacteria are intimately involved in creating curious bulbous and branching shapes in silica formations that strongly resemble the Martian cauliflower rocks. This is the reason why several researchers of Arizona State University are exploring the possibility that microbes might have been involved in fashioning the Martian rocks, too.
Source: Universe Today : http://www.universetoday.com/

La tomographie muonique: de la Soufrière (Guadeloupe) au Puy de Dôme (Auvergne) // Muon tomography: from the Soufrière to the Puy de Dôme

drapeau-francaisIl y a quelques jours, j’ai assisté à une conférence intitulée « La tomographie muonique » et donnée à Limoges dans le cadre de Récréasciences par un jeune chercheur en poste au CEA de Saclay.

En mai 2007 et décembre 2010, et plus récemment le 21 novembre 2015, j’ai écrit des articles expliquant que les scientifiques japonais essayaient d’observer l’intérieur des volcans en utilisant une nouvelle technologie basée sur l’utilisation des muons. Lorsque le rayonnement cosmique produit par les explosions de supernovae et autres événements dans l’espace lointain atteint la Terre et entre en collision avec l’atmosphère, cela génère un grand nombre de muons. Ils représentent 70% des rayons cosmiques qui atteignent la surface de la Terre. Comme ils ont une masse très faible, les muons passent à travers tous les objets, mais certaines substances les bloquent plus que d’autres, de la même façon que les os interfèrent avec des particules des rayons X. Pour les volcanologues, la radiographie par les muons, ou tomographie muonique, est un outil relativement nouveau qui pourrait permettre de percer les mystères qui entourent l’activité volcanique.
La tomographie muonique a été utilisée par les Japonais pour visualiser la structure interne de volcans comme l’Asama, l’Iwate ou encore le volcan Satsuma-Iojima dans la préfecture de Kagoshima. Les scientifiques savaient que ce volcan dissimulait un réservoir magmatique, mais la nouvelle technologie a révélé que la quantité de magma était beaucoup plus grande que prévu.

Les scientifiques français ont eux aussi utilisé la tomographie muonique dans le cadre du projet DIAPHANE sur le volcan de la Soufrière à la Guadeloupe. Des équipes du CNRS ont installé un capteur de muons cosmiques sur le flanc du volcan. La technologie a permis de « suspecter la présence d’importantes cavités » à l’intérieur de l’édifice volcanique.

Une autre application de la tomographie muonique  a eu pour cadre le vénérable Puy de Dôme en Auvergne. Le but du projet TOMUVOL était « la connaissance de l’historique du volcan de par sa structure pour prédire le comportement futur – Preuve de la faisabilité de la muographie sur un grand volcan (~ 2 km à la base). »
La tomographie de ces deux volcans est très bien décrite à cette adresse :
http://www.cnrs.fr/mi/IMG/pdf/gibert_instrumlimites_07jan2014.pdf

Voici l’image obtenue pour la Soufrière de La Guadeloupe :

Muons Soufrière

  (Source : CNRS)

La conclusion des équipes scientifiques qui ont mené les observations à la Guadeloupe et en Auvergne est fort intéressante. Il ne fait aucun doute que la tomographie muonique  a de beaux jours devant elle en volcanologie. Cette technologie n’en est qu’à ses débuts et des améliorations devront être apportées pour pouvoir « radiographier des volcans en éruption ».
Son application devra aussi surmonter certains obstacles tel le coût, à une époque où il est demandé aux laboratoires de se serrer la ceinture. D’autre part, dans un domaine comme la volcanologie, elle suppose la présence de deux équipes, l’une spécialisée en physique des particules et l’autre experte en volcanologie.

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drapeau anglaisA few days ago, I attended a conference entitled « The muon tomography » and given in Limoges by a young researcher at the CEA of Saclay.

In May 2007 and December 2010, most recently on November 21st, 2015, I wrote articles explaining that Japanese scientists had tried to observe the inside of volcanoes using a new technology based on the use of muons. When the cosmic radiation produced by supernova explosions and other events in deep space reaches the Earth and collides with the atmosphere, it generates a large number of muons. They represent 70% of the cosmic rays that reach the surface of the Earth. As they have a very low mass, muons pass through all objects, but some substances block them more than others, in the same way as bone particles interfere with X rays. For volcanologists, radiography by means of muons, or muon tomography, is a relatively new tool that could help unravel the mysteries surrounding volcanic activity.
Muon tomographywas used by the Japanese to visualize the internal structure of volcanoes like Asama, Iwate or Satsuma-Iojima in Kagoshima Prefecture. Scientists knew that this last volcano concealed a magma chamber, but the new technology revealed that the amount of magma was much larger than expected.

French scientists have also used muon tomography  in the DIAPHANE project on the Soufriere volcano in Guadeloupe. CNRS teams have installed a cosmic muon sensor on the flanks of the volcano. The technology has « revealed the presence of large cavities » within the volcanic edifice.

Another application of muon tomography was performed on the venerable Puy de Dome in Auvergne. The goal of the TOMUVOL project was the « knowledge of the history of the volcano through its structure to predict future behaviour – Proof of the feasibility of muography on a large volcano (~ 2 km at the base). »
The tomography of the two volcanoes is well described at:
http://www.cnrs.fr/mi/IMG/pdf/gibert_instrumlimites_07jan2014.pdf

The image for the Soufriere of Guadeloupe can be seen above.

The conclusion of the scientific teams who conducted the observations in Guadeloupe and in Auvergne is very interesting. There is no doubt that muon tomography has a bright future in volcanology. This technology is still in its infancy and improvements are needed in order to « radiograph erupting volcanoes. »
Its application must also overcome obstacles such as the cost, at a time when laboratories are requested to tighten their belts. On the other hand, in a field such as volcanology, it assumes the presence of two teams, one specialized in particle physics and another one expert in volcanology.

Les grottes de glace du Mont Rainier // Mount Rainier ice caves

drapeau-francaisQuand on parle du Mount Rainier, c’est souvent pour mettre en évidence le danger qu’il représente pour les localités à ses pieds et surtout Seattle. En effet, sa chaleur interne pourrait faire fondre les glaciers sur ses flancs et déclencher des coulées de boue dévastatrices.
Un autre danger est moins connu: Les grottes qui percent le sommet du volcan. Elles sont très complexes et cachent des dangers. C’est la raison pour laquelle une expédition de 75 membres a été organisée afin de mieux les étudier, de recueillir des informations et de réaliser une carte en trois dimensions du réseau de grottes. Donc, si des randonneurs se perdent ou se blessent, il sera plus facile de les retrouver et de procéder à une opération de sauvetage. Par ailleurs, d’autres paramètres tels que la géochimie, la microbiologie et la climatologie seront placés sur la carte afin que leur évolution puisse être étudiée année après année.
Les grottes de Mount Rainier sont particulièrement dangereuses car elles contiennent des poches de gaz toxiques comme le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre et l’hydrogène sulfuré. Elles sont visitées par des randonneurs qui se réfugient fréquemment à l’intérieur quand ils sont surpris au sommet par le mauvais temps. Ils doivent alors savoir quels sont les endroits dangereux dans les grottes.
La nature hors du commun des grottes du Mt Rainier a incité de nombreux scientifiques à se joindre à l’expédition. Leur environnement unique représente un laboratoire pour étudier comment une vie microbienne peut exister sur des planètes recouvertes de glace. Les grottes du Mt Rainier sont l’un des rares endroits où existe une cohabitation entre des gaz volcaniques et un environnement de glace qui reproduit ce que les scientifiques espèrent trouver sur Europa ou les calottes martiennes, par exemple.
D’autres chercheurs de l’expédition étudient les changements climatiques à l’intérieur des grottes. En observant leurs parois de glace année après année et en notant si elles se dilatent ou se contractent, ils pourront déterminer si le volcan se réchauffe, émet davantage de vapeur, ou s’il y a un risque d’activité volcanique imminente.
Les données climatiques sont également utiles car les glaciers sont universellement reconnus comme indicateurs climatiques. L’air extérieur circule à l’intérieur du réseau de grottes du Mont Rainier et laisse des empreintes du climat dans les couches de glace. Le travail effectué par les chercheurs fait partie d’une étude à l’échelle mondiale sur les effets du climat sur les étendues de glace de notre planète et dans quelle mesure les grottes contribuent aux processus. Les résultats pourront aussi être liés aux effets du changement climatique ou aux effets du système hydrothermal du volcan.
Source: National Geographic: http://voices.nationalgeographic.com/2016/02/04/exploring-toxic-ice-caves-in-an-active-volcano/

Cette note est dédié au regretté François Le Guern, volcanologue de renommée mondiale dans le domaine des gaz volcaniques. Il a gravi le Mont Rainier à plusieurs reprises et recueilli des informations précieuses sur les gaz dans les grottes.

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drapeau anglaisMount Rainier is often mentioned as a danger to neighbouring municipalities and above all Seattle, as its internal heat might melt the glaciers on its flanks and trigger devastating mudflows.
Another danger is less known: The caves at the top of the volcano, which are very complex with hazards deep inside. This is the reason why a 75-member expedition has been organised
to collect information and make a three-dimensional map of the cave system. So, if hikers get lost or hurt it will be easier to find them and conduct a search-and-rescue operation. Besides, other parameters like geochemistry, geo-microbiology and climatology will be placed on the map so that the changes can be plotted and watched year after year after year.
Mount Rainier’s caves are especially dangerous because they have pockets of poisonous gases like carbon dioxide, sulphur dioxide, and hydrogen sulphide. They are visited by recreational climbers who frequently take shelter inside them when they are caught on the summit by unexpected storms. They should know where the dangers are in the caves.
The uninviting nature of Mt Rainier caves incited many scientists to join the expedition. The unique environment offers a laboratory to study how microbial alien life may exist on icy planets. They are one of the few locations where you have a blend of volcanic gases mixing with an icy environment which replicates what scientists expect to find in Europa or the Martian ice caps, for instance.
Other researchers on the expedition are monitoring changes in the caves internal climate. By measuring the ice walls of the cave year after year and noting whether they expand or contract could help us determine if the volcano is heating up, producing more steam, or if there’s any imminent volcanic activity in the future.
The climate data is also useful because glaciers are universally recognized as climate indicators. The glacier caves on Mount Rainier circulate air from the atmosphere throughout the system and store records of the climate in the layers of ice. The work being done by researchers in the caves is part of a worldwide study on the effects of climate on our ice packs and how caves contribute to the processes. The results could be related to either the effects of climate or the effects of the hydrothermal system of the volcano.
Source : National Geographic : http://voices.nationalgeographic.com/2016/02/04/exploring-toxic-ice-caves-in-an-active-volcano/

This post is dedicated to the late François Le Guern, one of the world’s experts in volcanic gases. He climbed Mount Rainier several times and gave precious information about the gases in the caves.

Rainier 2015

Vue du Mont Rainier en juin 2015  (Photo: C. Grandpey)

Chaleur et explosivité du magma // Magma heat and explosivity

drapeau-francaisUn article intitulé « Vésiculation thermique lors des éruptions volcaniques» et publié dans la revue Nature a récemment démontré le «rôle essentiel des variations de chaleur pendant l’ascension du magma ». L’article est l’aboutissement d’une étude menée par des chercheurs de l’Ecole des Sciences de l’Environnement, dans l’enceinte de l’Université de Liverpool en Angleterre.

Il est bien connu que les volcans connaissent des éruptions explosives lorsque le magma chargé de gaz atteint la surface de la Terre. Plusieurs techniques sont utilisées pour expliquer la formation et la croissance des bulles de gaz au sein du magma. Par exemple, certains scientifiques examinent attentivement de minuscules cristaux pour mesurer des quantités infimes de gaz dissous à l’intérieur, tandis que d’autres utilisent la spectroscopie pour mesurer les panaches de gaz émis par une bouche volcanique. D’autres volcanologues font fondre les roches volcaniques et y insufflent des gaz.
Le magma stocké dans les profondeurs d’un volcan commence son ascension lentement et accélère quand il s’approche de la surface de la Terre. En effet, au cours de l’ascension, il échappe à la surpression, ce qui permet à des bulles de se développer.
Au début, quand le magma commence à monter sous l’édifice volcanique, il est soumis à près d’un millier de fois la pression atmosphérique. À de telles profondeurs, le magma est un fluide visqueux avec abondance de cristaux à l’intérieur, mais il est en grande partie dépourvu de bulles. L’absence de bulles ne veut pas dire qu’il n’y a pas de gaz, mais ce dernier est principalement dissous dans le magma. On estime qu’entre 1 et 5 % de la masse de magma à cette profondeur est composée de gaz piégé à l’intérieur.
Le magma, même dépourvu de bulles, monte en raison de la flottabilité. Il est moins dense que la roche encaissante plus froide qui l’entoure. Au début, il s’élève en général péniblement, mais il accélère en atteignant des profondeurs plus faibles. Des changements importants se produisent dans la masse en fusion, en même temps que la pression de confinement diminue. De plus en plus de bulles commencent à apparaître, qui font chuter la densité globale du fluide. En se dilatant, ces bulles accentuent la perte de densité, ce qui facilite l’ascension du magma. Les bulles transforment ensuite le magma en lambeaux, jusqu’à son expulsion hors du cratère.
La nouvelle étude a essayé de démontrer que si le magma dégaze effectivement durant la phase de décompression, il dégaze encore davantage sous l’effet de sa montée en chaleur. Tout d’abord, le magma dégage de la chaleur lorsque certaines parties commencent à se figer. Tout comme pour l’eau, ce « gel » produit des cristaux, qui libèrent de la chaleur au cours de leur formation. Cette chaleur ajoutée peut inciter le gaz à s’échapper du magma fluide. De plus, le magma monte en température lors de son passage le long de conduits étroits, suite au frottement le long des parois.
Une confirmation des résultats théoriques de l’étude a été obtenue sur le dôme du Santiaguito au Guatemala. Les chercheurs ont étudié des roches qui portent en elles les signes de la chaleur produite par frottement. Ils ont recueilli des roches avec des fissures qui portent en elles les passages fossiles du gaz en train de s’échapper. De retour au laboratoire, ils ont examiné les échantillons au microscope électronique. Les textures des fissures ont révélé des fragments de cendres figés sur place suite à leur transport par des courants de gaz chaud en provenance des bordures des fissures. D’autres manipulations ont appuyé cette hypothèse. Les scientifiques ont utilisé des échantillons de lave de la grosseur du poing et les ont soumis à des forces très importantes. Ils ont ensuite fait lentement tourner un échantillon de roche contre un autre. Cela a généré un frottement et une chaleur intense suffisante pour faire fondre la roche et libérer les gaz emprisonnés à l’intérieur.
Lorsqu’ils étaient sur le terrain, les chercheurs ont observé le comportement d’une partie active du dôme du Santiaguito, là même où les échantillons avaient été prélevés. Quelques secondes après le début d’une séquence éruptive, des colonnes de cendre et des panaches de gaz montaient jusque parfois à plus d’un kilomètre de hauteur. Des blocs incandescents étaient projetés vers le ciel et venaient ensuite se briser sur les flancs du volcan dont ils dévalaient les pentes. Les géophysiciens ont pu observer l’activité interne du Santiaguito en utilisant une batterie d’instruments comme des sismomètres et inclinomètres. Les capteurs ont révélé la profondeur et l’ampleur des mouvements de roche, des données que les chercheurs ont utilisées pour estimer la quantité de gaz accumulée pendant les cycles éruptifs.
Il semble que les mouvements de roches et de magma peuvent induire des gains de température de plusieurs centaines de degrés, ce qui favorise la volatilisation du magma préalablement «stable» et le dégazage violent qui s’ensuit. Les roches émises lors des éruptions du dôme du Santiaguito montrent dans quelle mesure la chaleur produite par le frottement du magma peut conduire à des explosions volcaniques.
Le comportement de Santiaguito pourrait aider à mieux comprendre les processus essentiels qui jouent un rôle dans l’activité explosive d’autres volcans semblables à travers le monde.
Source: Live Science: http://www.livescience.com/

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drapeau anglaisAn article entitled « Thermal vesiculation during volcanic eruptions » and published in the journal Nature recently demonstrated the « critical influence of heat variations in rising magmas. » The article was the result of a study led by researchers within the School of Environmental Sciences at the University of Liverpool in England.

It is well known that volcanoes erupt explosively when gas-charged magma reaches Earth’s surface. Several techniques are used to explain the formation and growth of gas bubbles within the magma. For instance, some scientists carefully examine tiny crystals to measure minuscule amounts of dissolved gas, while others use spectroscopy to measure the gas plumes escaping from a vent. Other volcanologists melt volcano rocks and infuse them with gases.
Magma deep within a volcano starts its ascent slowly, but eventually, it accelerates toward the Earth’s surface. Indeed, as magma rises, it escapes from overpressure and bubbles grow.
When magma starts rising deep beneath the volcanic edifice, it is subjected to nearly a thousand times the pressure that exists in the atmosphere. At such depths, magma is an extremely viscous fluid, often swimming with crystals, but it is largely devoid of bubbles. The absence of bubbles doesn’t mean there is no gas, but that it is mostly dissolved, within the magma. One estimates that between 1 and 5 per cent of the mass of magma at this depth is trapped gas.
Magma, even when devoid of bubbles, ascends because of buoyancy. It is less dense than the colder rock surrounding it. At first, it may rise sluggishly, but as it reaches shallower levels, it can accelerate. Significant changes occur in the melt as the confining pressure diminishes. More bubbles start to appear, and they diminish the overall density of the fluid. As these bubbles expand, the density decreases further, which facilitates a quicker ascent. This cycle continues until the bubbles rend the surrounding magma to shreds, and expel it out of the crater.
The new study tried to demonstrate that while decompressing magma is prone to degas, it further degasses when it heats up. Firstly, magma gives off heat when portions of it start to freeze. Just like in water, the freezing produces crystals, and as the crystals form, they give off heat. That added heat can induce gas to come out of the fluid magma. Secondly, magma heats up as it flows through constricted conduits, due to friction.
A confirmation of the theoretical results of the study was obtained on the dome of Santiaguito volcano in Guatemala. The researchers looked for rocks that bear testament to frictional heating. They collected rocks with cracks which would represent fossil passageways of escaping gas. Back in the laboratory, they examined the samples under an electron microscope. The textures of the cracks revealed ash shards frozen in place following their transport by currents of hot gas originating on the cracks’ margins. More lab experiments also supported the theory. The scientists took fist-size rock samples of lava and pushed them together with tremendous force, then rotated one rock sample slowly against another. This generated intense friction and heat, enough to melt rock and release abundant, previously locked-in gas.
When on the field, the researchers observed the behaviour of an active portion of Santiaguito’s dome where the samples were collected. Within seconds of an eruption’s onset, columns of ash and gas plumes rise to hundreds of meters and eventually reach more than a kilometre high. Incandescent blocks are blown skyward and then crash onto the volcano’s flanks, breaking open and cascading downward. The geophysicists captured the behaviour of Santiaguito using an array of instruments, including seismometers and tiltmeters. These sensors reveal the depth and magnitude of rock movements – data the researchers used to estimate the amount of gas that accumulates during eruptive cycles.
It seems rock and magma movements can induce temperature gains of hundreds of degrees, promoting volatilization of the previously « flat » magma and subsequent violent degassing. The dome rocks and eruptions at Santiaguito serve as en evidence of how frictional heating can lead to volcanic explosions.
Santiaguito’s behaviour might help to understand vital processes that influence volcanic explosivity at other analogous volcanoes.
Source : Live Science : http://www.livescience.com/

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Vues du dôme Caliente du Santiaguito (Photos: C. Grandpey)