Processus de refroidissement de la lave sur le Kilauea (Hawaii)

La notion de refroidissement et de formation d’une croûte a toujours joué un rôle important dans la vie des hommes, que ce soit en cuisine ou en géologie. Le temps de cuisson et le niveau de chaleur, par exemple, sont essentiels pendant la cuisson d’une miche de pain ou d’une quelconque pâtisserie. S’agissant de la géologie, notre planète traverse actuellement une phase de refroidissement et sa structure ne laisse aucun doute sur le processus de refroidissement en cours.

A grande échelle, la structure interne de la Terre va du noyau à la croûte, autrement dit de températures très hautes au centre à des températures plus basses à la périphérie.

A échelle réduite, il en va de même d’une coulée de lave dont la structure est progressivement de moins en moins chaude de l’intérieur vers l’extérieur.

Il n’est pas vraiment facile de voir la lave sortir de terre. La plupart des éruptions se produisent seulement une fois de temps en temps et elles durent peu de temps…sauf sur le Kilauea où la lave coule de manière quasi permanente depuis le mois de janvier 1983. Ce volcan représente donc un laboratoire parfait pour étudier le processus de refroidissement de la lave.

Structure de la lave en surface sur le Kilauea

La plupart des gens pensent que l’on ne rencontre qu’un type de lave sur les volcans hawaiiens qui sont souvent considérés comme l’exemple parfait de lave pahoehoe, c’est-à-dire une lave très fluide présentant une surface lisse. C’est vrai, mais en partie seulement car on trouve également de la lave a’a à Hawaii, aussi bien sur le Kilauea que sur le Mauna Loa.

  1. Lave pahoehoe:

La lave pahoehoe peut prendre différentes formes. Au fur et à mesure que la surface refroidit, elle prend une couleur gris sombre et devient moins fluide ; elle se comporte davantage comme une substance plastique que comme un matériau liquide. De plus, tandis que la lave continue à s’écouler sous cette enveloppe plastique, sa surface se ride en prenant l’aspect de cordes enroulées, d’où l’appellation de « lave cordée. Outre cet aspect cordé, les coulées pahoehoe peuvent également se présenter sous forme de surfaces «  en coquilles » ou « en dalles ».

Les laves pahoehoe « en coquilles » montrent souvent une surface renflée ainsi qu’une tendance à s’écailler. La ‘coquille’ n’a que quelques centimètres d’épaisseur ; elle recouvre une cavité haute de 5 à 30 centimètres qui s’effondre souvent sous le poids des visiteurs.

Les laves pahoehoe « en dalles » se présentent sous la forme de dalles très proches les unes des autres, de quelques mètres de largeur et de quelques centimètres d’épaisseur. Leur surface peut se briser ou s’incliner sous l’effet du mouvement sous-jacent de la lave.

Les laves pahoehoe sont souvent les premières à être émises par une bouche sur le Kilauea. Elles sont très fluides, avec une faible viscosité. Elles avancent en adoptant une sorte de mouvement roulant. Le front de coulée prend généralement l’aspect d’un lobe incandescent qui se refroidit et se recouvre d’une croûte après avoir parcouru un mètre ou deux. Il ralentit et cesse alors sa progression pour être dépassé par une autre coulée. Cette superposition de coulées donne naissance à des coulées composées nées de l’assemblage ou de la juxtaposition de plusieurs lobes en cours de refroidissement. C’est ce processus que nous allons observer sur le terrain et qui représente l’essentiel de cette étude.

Il arrive parfois que des coulées pahoehoe progressent plus lentement et développent de petits appendices bulbeux baptisés « orteils (ou doigts) de pahoehoe ». Personnellement, je les ai baptisés « doigts de Pele, par référence à la déesse du feu hawaiien. La photo ci-dessous montre la formation d’un de ces ‘doigts’. Au fur et à mesure que la lave refroidit et que sa surface devient plus visqueuse, d’autres sorties de lave apparaissent, qui contribuent à faire avancer la coulée.

     2. Lave a’a :

En tant qu’Européen, je suis plus habitué à voir des coulées de lave a’a que des pahoehoe qui sont plus rares sur des volcans comme l’Etna ou le Stromboli.

Les coulées a’a sont plus visqueuses que leurs homologues pahoehoe. Les fronts peuvent présenter des hauteurs allant de deux à vingt mètres, comme on a pu s’en rendre compte sur l’île de la Réunion pendant la dernière éruption du Piton de la Fournaise en avril 2007. Le déplacement d’une coulée de lave a’a ressemble à un rouleau compresseur. Une masse de matériaux s’accumule à l’avant de la coulée jusqu’au moment où tout un pan s’en détache et s’écroule. En amont de ce front, le sommet de la coulée est généralement composé de matériaux grossiers qui dissimulent et isolent thermiquement une lave visqueuse. Les blocs qui se détachent du front de coulée sont ensuite recouverts par la masse de la coulée qui continue à se déplacer inexorablement vers l’avant.

     3. Transformation de la lave pahoehoe en lave a’a:

Il peut arriver qu’une lave pahoehoe se transforme en lave a’a pendant sa progression sur la pente d’un volcan. En revanche, l’inverse ne se produit jamais. La conversion pahoehoe / a’a est généralement due à une augmentation de la viscosité. Cette dernière est liée au refroidissement, à la perte en gaz et à un processus de cristallisation qui interviennent pendant que la lave avance sur la pente du volcan. A noter qu’un débit effusif plus important peut également contribuer à cette conversion et la lave a’a commence à se former quand le débit atteint 5 à 10 mètres cubes par seconde. La transformation peut par ailleurs s’accélérer quand la pente s’accentue.

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Travail sur le terrain.

Les dernières mesures ont été effectuées en février 2011 sur les coulées à proximité de Kalapana.

Résultats des analyses effectuées en laboratoire (Faculté des Sciences) de Limoges sur des échantillons prélevés le 10 février 2011:

SiO2: 50.30%

Al2O3: 13.84%

FeOT: 11,12%

MgO: 7.34%

CaO: 11.50%

Na2O: 2.21%

K2O: 0.52%

TiO2: 2.77%

P2O5: 0.30%

MnO: 0.10%

Dans l’ensemble, les pourcentages correspondent aux résultats des analyses précédentes. Ils sont typiques des laves émises par le Kilauea depuis 1983.

Température de la lave:

J’ai effectué les mesures le 10 février à 18 heures par une température extérieure de 26°C et une hygrométrie de 64%. Il ne pleuvait pas. J’ai utilisé un thermomètre laser infrarouge

Les mesures montrent que la surface des coulées doit être appréhendée de quatre points de vue: 1) Lave de couleur jaune, très fluide émise par un lobe et présentant une température de 1050-1080°C; 2) Lave de couleur orange, plus visqueuse, commençant à présenter une croûte superficielle, avec une température de 750 à 900°C ; 3) croûte rigide avec circulation de la lave en dessous (700-750°C) ; 4) bordures de coulée (150°C ou moins).

On remarquera aussi que lorsqu’on à affaire à des coulées de lave plus importantes, la température de la lave décroît entre le centre de la coulée et les bordures.

Quoi qu’il en soit, toutes ces températures de surface sont bien inférieures à celles que j’avais observées en 1998 au niveau de lucarnes dans les coulées sur le pali. A cette époque, mon pyromètre indiquait une moyenne de 1160°C. .

Vitesse d’avancement de la lave:

Les mesures ont été effectuées le10 février à 18 heures par une température extérieure de 26°C et une hygrométrie de 64%. Il ne pleuvait pas.

Les vidéos réalisées à l’aide d’un caméscope numérique montrent que la vitesse des coulées de surface dépend largement de l’inclinaison de la pente. Par exemple, la lave avance très lentement sur la plaine côtière où j’ai effectué mes observations. Toutefois, la lave peut parfois se déplacer plus vite lorsqu’un lobe s’éventre sur une rupture de pente de sorte que la lave tombe en cascade sur une hauteur de quelques mètres. Le 10 février 2011, elle avançait à une vitesse moyenne d’environ 90 centimètres par minute sur des surfaces régulières.

Refroidissement de la lave:

Les mesures ont été effectuées le10 février à 18 heures par une température extérieure de 26°C et une hygrométrie de 64%. Il ne pleuvait pas.

Mes observations concernant le refroidissement de la lave correspondent aux précédentes effectuées en 2006. Après avoir avancé sur quelques dizaines de centimètres, la lave commence à se recouvrir d’une croûte et à former des enroulements cordés. La surface est assez rigide pour supporter le poids d’un homme au bout de quelques minutes, même si la lave continue à circuler sous la croûte et ressort sous forme de lobes  à l’avant de la coulée.

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The notion of cooling and crusting has always played an important part in men’s lives, whether it is in cooking or in geology. Time and heat, for instance, are essential in the right cooking of a loaf of bread or any kind of pastry. As far as geology is concerned, our planet is currently in the cooling mode and its structure makes no doubt about the cooling process it is undergoing.

At a large scale, the internal structure of the Earth goes from the core to the crust, namely from very high temperatures to very low ones.

At a more reduced scale, it is just the same for a lava flow which progressively gets less and less hot if we examine its structure from the inside to the outside.

However, the opportunity to see lava coming out of the earth is not so frequent. Most eruptions occur once in a while and are often short-lived ….except on Kilauea where lava has been flowing permanently since January 1983. Therefore, this volcano represents a perfect laboratory to study the cooling process of lava.

Surface structure of lava on Kilauea.

Most people think that only one type of lava can be found on Hawaiian volcanoes which are usually taken as the universal example of pahoehoe lava, in other words very fluid lava with a smooth surface. This is partly right, but a’a lava is not uncommon in Hawaii, whether it is on Kilauea or Mauna Loa.

  1. Pahoehoe lava:

Pahoehoe lava can take several different forms. As its smooth surface cools to turn to a dark grey colour and become less fluid and more viscous, it behaves more like a plastic substance than a truly liquid one. Besides, as lava continues to flow underneath this plastic skin, the surface wrinkles into a form that resembles coiled rope. That’s why such a surface is aptly called « ropy pahoehoe ».

In addition to this ropy surface, pahoehoe flows can also display “shelly” or “slabby” surfaces.

“Shelly” pahoehoe contains a billowy flow top with a frothy vesicular surface skin, only a few centimetres thick, overlying large cavities, generally 5 to 30 centimetres thick. These “shelly” surfaces often collapse when you are walking on the top of the flow.

“Slabby” pahoehoe contains a series of closely spaced slabs, a few metres across and a few centimetres thick, broken and tilted by mass movement of the underlying lava.

Pahoehoe lavas are typically the first to erupt from a vent on Kilauea. They are very fluid with a low viscosity. They advance in a sort of smooth rolling motion. The front of the flow usually advances as a glowing lobe that chills and crusts over after 1 or 2 metres of flow. Next, it slows and stops, and is overrun by a new lobe that moves forward downslope until it also chills, and in turn is overrun by another flow. Overriding lavas and breakouts on the flow top and sides thus produce compound flows composed of several lobes cooling against one another. This is the process we are going to study on the field and that represents the core of this study.

Sometimes, it occurs that some pahoehoe flows are moving more slowly and advancing through the protrusion of small bulbous appendages at the flow front; these are called “pahoehoe toes”. The photo below shows the advancement of a pahoehoe toe. As the lava surface cools and its thin skin becomes more viscous, progressive breakouts do occur, thus advancing the flow forward.

  1. A’a lava:

As a European, I’m more used to seeing a’a flows than pahoehoes. Volcanoes like Stromboli or Mount Etna regularly emit this type of lava.

A’a flows are more viscous and thicker than pahoehoes. Their flow fronts can vary from two metres to as much as twenty metres thick, as happened with the lava front on the island of the Reunion during the last eruption in April 2007. The forward motion of a’a lava is similar to the movement of a steam roller. A mass of debris accumulates at the flow front until a section breaks off and tumbles forward. Inward from its front, the flow usually contains an upper rubbly flow top, and a lower massive part of viscous lava insulated from the overlying rubble. The blocks that break off the front are then overridden by the massive lava core of the flow which pushes forward.

  1. From pahoehoe to a’a:

It may happen that pahoehoe is converted into a’a as lava advances downslope. Conversion of a’a to pahoehoe, on the other hand, never takes place. The pahoehoe-to-a’a conversion is most often caused by an increase in flow viscosity. Cooling, gas loss, and crystallization of the lava may cause it to become increasingly more viscous as it advances farther downslope. Although the downslope increase in viscosity can convert pahoehoe to a’a, a higher effusion rate can also cause the conversion. A’a begins to form when effusion rates are more than 5 to10 cubic metres per second. The conversion of pahoehoe to a’a can also increase as lava advances down increasingly steeper slopes.

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On-the-field study.  

The latest measurements were performed in February 2011 on the lava flows close to Kalapana.

Results of lab analyses performed on samples taken on February 10th 2011:

SiO2: 50.30%

Al2O3: 13.84%

FeOT: 11,12%

MgO: 7.34%

CaO: 11.50%

Na2O: 2.21%

K2O: 0.52%

TiO2: 2.77%

P2O5: 0.30%

MnO: 0.10%

The percentages globally correspond with the results of previous analyses. They are typical of the lava that has been emitted by Kilauea since 1983.

Lava temperature:

I made the measurements on February 10th at 18:00 with an outside temperature of 26°C and a hygrometry of 64%. No rain during my two-hour stay. I used a laser infrared thermometer.

The measurements suggest that the upper surface of the lava flows has to be considered from four different points of view. 1) Fluid yellow-coloured lava emerging from a lobe (1050-1080°C); 2) orange-coloured, more viscous lava, starting to crust over (750–900°C); 3) rigid solid crust (700-750°C) with lava still flowing below the crust; 4) flow margins (150°C or less).

One should also notice that as far as longer lava flows are concerned, lava temperature decreases between the centre of a lava flow and its edges.

Anyway, all these surface temperatures are much lower than the ones I measured in lava tubes through skylights in 1998. By that time, the pyrometer showed an average of 1160°C.

Lava speed.

I made the measurements on February 10th at 18:00 with an outside temperature of 26°C and a hygrometry of 64%. No rain during my two-hour stay.

The films made with a digital camcorder clearly show that the speed of surface lava flows highly depends on the steepness of the slope. For instance, they were remarkably slow on the coastal flat where I made my observations. However, lava can occasionally move far more rapidly when a lobe opens along a ridge so that lava may cascade over a few metres. On February 10th 2011, lava was advancing at an average speed of ninety (90) centimetres per minute on even surfaces.

Lava cooling:

I made the measurements on February 10th at 18:00 with an outside temperature of 26°C and a hygrometry of 64%. No rain during my two-hour stay.

My observations concerning the cooling of lava correspond with the ones I made in 2006. After flowing over a few tens of centimetres, lava began to crust over while forming coiled ropes. The surface was hard enough for a man to walk on after a few minutes, although lava was still flowing below the crust and emerging as one or several lobes at the front of the flow.

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