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Température de prismation des colonnes basaltiques // Prismation temperature of basalt columns

J’ai écrit plusieurs notes – le 24 mars 2015, par exemple – sur Devils Tower qui est un site touristique très populaire dans le Wyoming aux Etats Unis. Un certain nombre d’hypothèses ont été formulées pour expliquer l’apparition de ce monolithe vieux de 49 millions d’années. Les explications les plus fréquemment avancées font état d’une montée de magma qui se serait frayé un chemin dans les couches sédimentaires sous la surface ou à l’intérieur d’une cheminée dans les profondeurs d’un volcan.
Une nouvelle étude réalisée par des géologues de l’Université de Liverpool a identifié la température à laquelle le magma en cours de refroidissement se fissure pour former des colonnes géométriques telles que celles rencontrées à la Chaussée des Géants en Irlande du Nord et à Devils Tower aux États-Unis.


Les colonnes géométriques apparaissent dans de nombreux types de roches volcaniques et se forment au fur et à mesure que la roche se refroidit et se contracte, ce qui donne naissance à un ensemble régulier de prismes et de colonnes polygonaux Les géologues se sont longtemps demandé à quelle température le magma en cours de refroidissement forme ces prismes.
Les scientifiques de Liverpool ont entrepris une étude pour découvrir à quel niveau de température les roches s’ouvrent pour former ces entablements spectaculaires. Dans un article publié dans la revue Nature Communications, ils expliquent avoir mis sur pied un nouveau type d’expérience pour montrer comment, lorsque le magma se refroidit, il se contracte et accumule du stress, jusqu’au moment où il se fissure. L’étude a été réalisée sur des échantillons de colonnes basaltiques issues de l’Eyjafjallajökull, en Islande.
Les chercheurs ont conçu un nouvel appareil permettant à la lave en cours de refroidissement, saisie dans une presse, de se contracter et de se fissurer pour former une colonne. Cette expérience a permis de constater que les roches se fracturent lorsqu’elles refroidissent à environ 90 à 140 degrés Celsius en dessous de la température à laquelle le magma cristallise, soit environ 980 °C pour les basaltes. Cela signifie que les joints que l’on peut observer entre les colonnes basaltiques à la Chaussée des Géants et à Devils Tower, entre autres, se sont formés à une température d’environ 840-890°C.
Les auteurs de l’expérience explique qu’elle a été compliquée d’un point de vue technique, mais elle montre parfaitement le rôle joué par la contraction thermique sur l’évolution des roches en cours de refroidissement et sur le développement des fractures. Connaître le niveau de température auquel le magma en cours de refroidissement se fracture est essentiel, car il amorce la circulation de fluides dans le réseau de fractures. La circulation de fluides contrôle le transfert de chaleur dans les systèmes volcaniques. Ce phénomène peut être exploité pour la production d’énergie géothermique. Cette dernière découverte présente donc d’importantes applications en volcanologie et dans le domaine de la recherche géothermique.
Source : Université de Liverpool.

Loin de cette approche scientifique, une légende raconte qu’un groupe de sept jeunes filles jouaient dans la forêt quand arriva brusquement un ours géant. Elles s’enfuirent mais l’ours les poursuivit. La situation semblait perdue car l’ours gagnait du terrain. Les filles se précipitèrent vers un rocher quelles essayèrent d’escalader en priant le Grand Esprit de leur venir en aide. A ce moment-là, le rocher se mit à grandir, soulevant les enfants dans les airs. L’ours sauta sur le rocher mais ne réussit pas à atteindre les jeunes filles car ses griffes glissaient sur la pierre. On peut voir aujourd’hui la marque de ses griffes sur le rocher qui continua à croître, poussant les filles vers le ciel, où elles devinrent les sept étoiles de la Pléiade.

Photos: C. Grandpey

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I have written several posts – on March 24th, 2015, for instance – about Devils Tower which is a popular tourist spot in Wyoming. A number of hypotheses for the 49-million-year-old monolith have been put forward over the years. The most popular explanations today refer to some magma ascent squeezed in between subsurface layers of sediments, or within a conduit deep inside a volcano.

A new study by geoscientists at the University of Liverpool has identified the temperature at which cooling magma cracks to form geometric columns such as those found at the Giant’s Causeway in Northern Ireland and Devils Tower in the USA.
Geometric columns occur in many types of volcanic rocks and form as the rock cools and contracts, resulting in a regular array of polygonal prisms or columns. One of the most intriguing questions facing geologists is the temperature at which cooling magma forms these columnar joints.

Liverpool geoscientists undertook a research study to find out how hot the rocks were when they cracked open to form these spectacular stepping stones. In a paper published in Nature Communications, they explain that they designed a new type of experiment to show how as magma cools, it contracts and accumulates stress, until it cracks. The study was performed on basaltic columns from Eyjafjallajökull volcano, Iceland.
The researchers designed a novel apparatus to permit cooling lava, gripped in a press, to contract and crack to form a column. These new experiments demonstrated that the rocks fracture when they cool about 90 to 140 degrees Celsius below the temperature at which magma crystallises into a rock, which is about 980°C for basalts.
This means that columnar joints exposed in basaltic rocks, as observed at the Giant’s Causeway (Ireland) and Devils Tower (USA) amongst others, were formed around 840-890°C.
The authors of the experiments say that they were technically very challenging, but they clearly demonstrate the power and significance of thermal contraction on the evolution of cooling rocks and the development of fractures. Knowing the point at which cooling magma fractures is critical, as it initiates fluid circulation in the fracture network. Fluid flow controls heat transfer in volcanic systems, which can be harnessed for geothermal energy production. So the findings have tremendous applications for both volcanology and geothermal research.
Source: The University of Liverpool.

Far from this scientific approach, a legend says that a group of seven girls were playing in the forest when a giant bear abruptly arrived. They fled but the bear chased them. The situation seemed lost because the bear was gaining ground. The girls rushed to a rock that they tried to climb, begging the Great Spirit to help them. At that moment, the rock began to grow, raising the children in the air. The bear jumped on the rock but failed to reach the girls because his claws slipped on the stone. We can see today the mark of his claws on the rock that continued to grow, pushing the girls to the sky, where they became the seven stars of the Pleiades.

L’Islande va stocker le CO2 dans le basalte // Iceland is going to store CO2 in basalt

Dans une note rédigée le 17 juin 2016, j’expliquais qu’une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université de Southampton avait participé au projet CarbFix, à côté d’une centrale géothermique dans la périphérie de Reykjavik. Cette centrale exploite une source de vapeur produite par le magma à faible profondeur, en sachant que du CO2 et des gaz soufrés d’origine volcanique sont émis en même temps que la vapeur. Le but est de capter le gaz et de le réinjecter dans le sous-sol. Le processus se fait avec un puits d’injection foré dans le soubassement basaltique. Les chercheurs séparent le dioxyde de carbone de la vapeur produite par la centrale et l’envoient vers un puits d’injection. Le dioxyde de carbone est injecté dans un tuyau qui de trouve lui-même logé à l’intérieur d’un autre tuyau rempli d’eau en provenance d’un lac situé à proximité. A plusieurs dizaines de mètres de profondeur, le dioxyde de carbone est libéré dans l’eau où la pression est si élevée qu’il se dissout rapidement. Ce mélange d’eau et de dioxyde de carbone dissous, qui devient très acide, est envoyé plus profondément dans une couche de roche basaltique où il commence à lessiver des minéraux comme le calcium, le magnésium et le fer. Les composants du mélange finissent par se recomposer et se minéraliser en roches carbonatées.

L’idée d’injecter du CO2 dans le substratum basaltique a fait son chemin depuis 2016 et la construction d’une installation de stockage et d’élimination du dioxyde de carbone – la première du genre au monde – est en passe de démarrer à Straumsvík, sur la Péninsule de Reykjanes. La structure, baptisée Coda Terminal, recevra du CO2 de l’Europe du Nord par bateau. Le projet devrait créer 600 emplois directs et indirects.

Le CO2 proviendra d’émetteurs industriels du nord de l’Europe et sera injecté dans le substrat basaltique où il se transformera rapidement en pierre grâce à la technologie Carbfix. En fonctionnement maximal, Coda Terminal pourra stocker chaque année 3 millions de tonnes de CO2.

En recevant du CO2 des pays voisins pour son stockage permanent dans le substrat basaltique, l’Islande joue un rôle de pionnier en Europe. Le CO2 sera acheminé par des navires spécialement conçus. Le transport du CO2 vers l’Islande est rendu possible par les faibles coûts associés au stockage sur la terre ferme. Coda Terminal sera le premier projet de stockage géologique à grande échelle en Europe à être réalisé sur la terre ferme. Dans une note publiée le 12 novembre 2020, j’avais indiqué que la Norvège avait l’intention de stocker le CO2 dans d’anciens gisements de gaz naturel sous la mer du Nord.

La technologie Carbfix sera par la suite utilisée pour transformer de façon permanente et en toute sécurité le CO2 en pierre, au plus profond du substrat rocheux basaltique. Coda Terminal pourra également stocker le CO2 en provenance des industries locales, ainsi que le CO2 capté directement dans l’air. La construction se fera en trois phases. Le forage des premiers puits est prévu pour 2022, avec pour objectif de démarrer l’exploitation en 2025 et d’atteindre la pleine capacité d’ici 2030.

Source: Iceland Monitor.

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In a post written on June 17th, 2016, I explained that a team led by a University of Southampton researcher was involved in the CarbFix project, located next to a geothermal power plant outside Reykjavik. This plant basically taps a source of steam above Iceland’s shallow magma chambers, but some volcanic CO2 and sulfur gas come along with it. The goal is to capture that gas and stick it back underground. That’s done with an injection well drilled down into basalt bedrock. The researchers separate the carbon dioxide from the steam produced by the plant and send it to an injection well. The carbon dioxide gets pumped down a pipe that’s actually inside another pipe filled with water from a nearby lake. Dozens of metres below the ground, the carbon dioxide is released into the water, where the pressure is so high that it quickly dissolves. That mix of water and dissolved carbon dioxide, which becomes very acidic, gets sent deeper into a layer of basaltic rock, where it starts leaching out minerals like calcium, magnesium and iron. The components in the mixture eventually begin to mineralize into carbonate rocks.

The idea to inject CO2 into the basalt bedrock has worked its way since 2016 and preparations are underway for the construction of a carbon dioxide storage and disposal facility – the first of its kind in the world – in Straumsvík, on the Reykjanes peninsula.

The facility, Coda Terminal, will receive CO2 from Northern Europe by ship. It is expected to create 600 jobs, directly and indirectly.

The CO 2 will be sourced from industrial emitters in Northern Europe and will be injected into the basaltic bedrock where it rapidly turns into stone via the Carbfix technology. At full scale, the Coda Terminal will provide an annual storage amounting to three million tonnes of CO2.

By receiving CO2 from neighbouring countries for permanent mineral storage, Iceland takes a pioneering role within Europe. The Coda Terminal will receive CO2 transported by specifically designed ships. The transport of CO2 to Iceland is enabled by the low costs associated with onshore mineral storage. In fact, the Coda Terminal will be the first large scale geological storage project in Europe that is carried out onshore. In a post published on November 12th, 2020, I indicated that Norway intended to store CO2 in former natural gas fields under the North Sea.

The Carbfix technology will then be used to permanently and safely turn CO 2 into stone, deep in within the basaltic bedrock. The Terminal will also be able to store CO2 from local industries, as well as CO2 captured directly from the air.

Construction will be done in three phases. Drilling of the first wells is planned for 2022, with the aim of beginning operation in 2025 and reaching full capacity by 2030.

Source : Iceland Monitor.

Source : Carbfix

L’Islande continue d’enterrer le gaz carbonique ! // Iceland keeps burying carbon dioxide !

Dans des notes publiées le 16 juin 2016 et le 15 novembre 2017, j’ai expliqué que l’Islande était probablement un bon endroit pour stocker dans le sol l’excès de dioxyde de carbone (CO2) contenu dans l’atmosphère.
https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/2016/06/17/islande-de-la-geothermie-au-stockage-du-co2-iceland-from-geothermal-energy-to-the-storage-of-co2/

À l’époque, l’objectif du projet CarbFix était de capter le gaz et de le réinjecter dans le sous-sol. Le processus était réalisé avec un puits d’injection foré dans le soubassement basaltique. Si elle était opérationnelle, cette technologie aurait l’avantage de débarrasser l’atmosphère d’une partie de son CO2, l’un des principaux gaz à effet de serre qui contribuent au réchauffement de la planète.
La technologie imite, dans un format accéléré, un processus naturel qui peut prendre des milliers d’années, et qui consiste à injecter du dioxyde de carbone dans les pores du basalte où il se minéralise et reste stocké pour l’éternité.
En Islande, le projet CarbFix inclut des chercheurs et des ingénieurs du distributeur d’électricité Reykjavik Energy, de l’Université d’Islande, du CNRS et de la Columbia University aux États-Unis.
En Islande, au moins la moitié de l’énergie qui est produite provient de sources géothermiques. C’est une aubaine pour les chercheurs de CarbFix, qui ont transformé en laboratoire la centrale géothermique de Hellisheidi, l’une des plus grandes au monde.
La centrale, située sur le volcan Hengill dans le sud-ouest de l’Islande, repose sur une couche de roche basaltique et dispose de quantités d’eau pratiquement illimitées. L’usine pompe l’eau qui se trouve sous le volcan pour faire fonctionner six turbines qui fournissent de l’électricité et de la chaleur à la capitale, Reykjavik, située à une trentaine de kilomètres.

Le dioxyde de carbone de l’usine est capté par la vapeur, liquéfié par condensation, puis dissous dans de grandes quantités d’eau. Cette eau gazeuse est canalisée sur plusieurs kilomètres jusqu’à une zone où trônent des dômes gris en forme d’igloo. C’est ici que l’eau gazeuse est injectée sous haute pression dans la roche à 1 000 mètres de profondeur. La solution remplit les cavités de la roche basaltique et c’est alors que commence le processus de solidification. On a affaire à une réaction chimique qui se produit lorsque le gaz entre en contact avec le calcium, le magnésium et le fer dans le basalte.
Presque tout le dioxyde de carbone injecté s’est retrouvé minéralisé en deux ans au cours de l’opération pilote il y a trois ans; c’était beaucoup plus rapide que lors des expériences effectuées en laboratoire. Une fois que le CO2 est transformé en roche, il reste définitivement dans cet état.
Le projet CarbFix réduit d’un tiers les émissions de dioxyde de carbone de la centrale de Hellisheidi, ce qui représente le stockage et l’entreposage de 12 000 tonnes de dioxyde de carbone à un coût d’environ 25 dollars la tonne. En comparaison, les volcans islandais rejettent chaque année entre un et deux millions de tonnes de dioxyde de carbone.
Le principal inconvénient de cette méthode est qu’elle nécessite de gros volumes d’eau dessalée qui est abondante en Islande mais rare dans de nombreuses autres parties de la planète. Il faut 25 tonnes d’eau pour injecter chaque tonne de dioxyde de carbone. Des expériences sont en cours pour adapter la méthode à l’eau salée.
Dans le cadre de l’accord de Paris sur le climat, l’Islande a accepté de réduire ses émissions de gaz à effet de serre de 40% d’ici 2030, mais ses émissions ont augmenté de 2,2% entre 2016 et 2017 ; elles ont augmenté de 85% depuis 1990, selon un rapport de l’Agence islandaise de l’environnement. Un tiers de ces émissions provient du transport aérien qui est essentiel pour le tourisme de l’île. Les usines d’aluminium et de silicium représentent un autre tiers. Le ministère islandais de l’Environnement et des Ressources naturelles a encouragé ces usines à développer elles aussi des mécanismes de captage et de stockage du carbone.
Source: Philippine Daily Inquirer.

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In posts released on 16 June 2016 and 15 November 2017, I explained that Iceland could also be the right place to store in its ground the excess of carbon dioxide (CO2) in the atmosphere.

https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/2016/06/17/islande-de-la-geothermie-au-stockage-du-co2-iceland-from-geothermal-energy-to-the-storage-of-co2/

By that time, the goal of the CarbFix project was to capture that gas and stick it back underground. This was done with an injection well drilled down into basalt bedrock. If it worked, the technology would have the advantage of getting the atmosphere rid of some of its CO2, one of the main greenhouse gases that contribute to global warming.

The technology mimics, in an accelerated format, a natural process that can take thousands of years, injecting carbon dioxide into porous basalt rock where it mineralizes, capturing it forever.

Iceland’s CarbFix project includes researchers and engineers from utility company Reykjavik Energy, the University of Iceland, France’s National Centre for Scientific Research (CNRS) and Columbia University in the United States.

In Iceland, at least half of the energy produced comes from geothermal sources. That is a bonanza for CarbFix researchers, who have turned the Hellisheidi geothermal power plant, one of the world’s biggest, into their own laboratory.

The plant, located on the Hengill volcano in southwestern Iceland, sits on a layer of basalt rock formed from cooled lava, and has access to virtually unlimited amounts of water. The plant pumps up the water underneath the volcano to run six turbines providing electricity and heat to the capital, Reykjavik, about 30 kilometres away.

The carbon dioxide from the plant is captured from the steam, liquified into condensate, then dissolved in large amounts of water. The fizzy water is piped several kilometres to an area where grey, igloo-shaped domes dot the landscape. Here the fizzy water is injected under high pressure into the rock 1,000 metres under the ground. The solution fills the rock’s cavities and begins the solidification process — a chemical reaction that occurs when the gas comes in contact with the calcium, magnesium and iron in the basalt.

Almost all of the injected carbon dioxide was mineralized within two years in the pilot injection three years ago, which was much faster than during the experiments in a laboratory. Once the CO2 is turned to rock, it is captured there for good.

The CarbFix project reduces the plant’s carbon dioxide emissions by a third, which amounts to 12,000 tons of carbon dioxide captured and stored at a cost of about 25 dollars a ton. By comparison, Iceland’s volcanoes spew out between one and two million tons of carbon dioxide each year.

The main drawback of the method is that it requires large volumes of desalinated water, which, while abundant in Iceland, is rare in many other parts of the planet. Around 25 tons of water is needed for each tonne of carbon dioxide injected. Experiments are currently underway to adapt the method to saltwater.

Under the Paris climate agreement, Iceland has agreed to slash its greenhouse gas emissions by 40% by 2030, yet its emissions rose by 2.2% from 2016 to 2017, and have risen by 85% since 1990, according to a report by Iceland’s Environment Agency. A third of its emissions come from air transport, which is vital to the island for its tourism sector. Its aluminum and silicon plants account for another third. The Icelandic Environment and Natural Resources Ministry has encouraged those plants to also develop carbon capture and storage mechanisms.

Source : Philippine Daily Inquirer.

Image de la calcite formée dans le basalte par interaction entre la roche et l’eau chargée en CO2 (Source : CarbFix).

Les secrets des prismes volcaniques // The secrets of volcanic prisms

Une nouvelle étude réalisée par des scientifiques de l’Université de Liverpool a identifié la température à laquelle le magma en phase de refroidissement se fracture pour former des colonnes géométriques telles que celles, bien connues, de la Chaussée des Géants en Irlande du Nord et de Devils Tower aux États-Unis.
Les colonnes géométriques sont présentes dans de nombreux types de roches volcaniques et se forment au fur et à mesure que la roche se refroidit et se contracte, en donnant naissance à un ensemble régulier de prismes ou de colonnes polygonales. Ces formations géologiques sont particulièrement étonnantes et ont donné naissance à de nombreuses et belles légendes. Celle sur la Chaussée des Géants figure dans le livre Mémoires Volcaniques que j’ai écrit conjointement avec Jacques Drouin (voir la colonne de droite de ce blog).
Les géologues ont longtemps voulu savoir à quelle température le magma en cours de refroidissant façonne ces colonnes aux formes régulières. Dans un article publié dans Nature Communications, des chercheurs de la School of Environmental Sciences de l’Université de Liverpool ont mis sur pied un nouveau type de manipulation visant à montrer comment, à mesure que le magma se refroidit, il se contracte et accumule des contraintes au point de se fracturer. L’étude a été réalisée sur des colonnes basaltiques du volcan Eyjafjallajökull en Islande.
Les scientifiques ont mis au point un nouvel appareil permettant à la lave en cours de refroidissement et maintenue dans une presse, de se contracter et de se fissurer pour former une colonne. Ces expériences ont démontré que la roche se fracture lorsqu’elle refroidit entre 90 et 140°C, en dessous de la température à laquelle le magma se cristallise, ce qui correspond à environ 980°C pour les basaltes. Cela signifie que les joints entre les colonnes basaltiques de la Chaussée des Géants et de Devils Tower, entre autres, se sont formés vers 840-890°C. Autrement dit, l’étude révèle que les prismes se forment lorsque le magma est encore très chaud mais après qu’il se soit solidifié. Les expériences en laboratoire démontrent clairement le rôle joué par la contraction thermique dans l’évolution des roches en phase de refroidissement et la formation des fractures.
Selon un scientifique de l’Université de Liverpool qui a participé à l’étude, il est très important de connaître le moment auquel le magma en cours de refroidissement se fracture, car il déclenche la circulation des fluides dans le réseau de fractures. L’écoulement des fluides contrôle le transfert de chaleur dans les systèmes volcaniques, ce qui peut être exploité pour la production d’énergie géothermique. Les résultats de l’étude ouvrent donc la voie à  d’importantes applications pour la recherche en volcanologie et en géothermie. Qui plus est, il est essentiel de comprendre comment le magma et les roches en cours de refroidissement se contractent et se fracturent afin de comprendre la stabilité des édifices volcaniques ainsi que le transfert de chaleur à l’intérieur de la Terre. Les résultats de l’étude ont mis en lumière les pertes de fluides de refroidissement observées par les ingénieurs islandais lors de forages dans des roches volcaniques à des températures dépassant 800 ° C. Une telle perte de fluides de refroidissement dans cet environnement n’était pas prévue, mais la dernière étude suggère qu’une contraction substantielle des roches chaudes a pu ouvrir des fractures suffisamment importantes pour permettre l’évacuation des boues de refroidissement par le trou de forage en, Islande.
Source: Université de Liverpool.

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A new study by scientists at the University of Liverpool has identified the temperature at which cooling magma cracks to form geometric columns such as those found at the Giant’s Causeway in Northern Ireland and Devils Tower in the USA.
Geometric columns occur in many types of volcanic rocks and form as the rock cools and contracts, resulting in a regular array of polygonal prisms or columns. These columnar joints are amongst the most amazing geological features on Earth and in many areas, they have inspired mythologies and legends. The one about the Giant’s Causeway is told in the book Mémoires Volcaniques I wrote together with Jacques Drouin (see right-hand column of this blog).
One of the most enduring and intriguing questions facing geologists has been the temperature at which cooling magma forms these columnar joints. In a paper published in Nature Communications, researchers and students at the University of Liverpool’s School of Environmental Sciences designed a new type of experiment to show how as magma cools, it contracts and accumulates stress, until it cracks. The study was performed on basaltic columns from Eyjafjallajökull volcano in Iceland.
The scientists designed a novel apparatus to permit cooling lava, gripped in a press, to contract and crack to form a column. These new experiments demonstrated that the rocks fracture when they cool about 90 to 140°C, below the temperature at which magma crystallises into a rock, which is about 980°C for basalts. This means that columnar joints exposed in basaltic rocks, as observed at the Giant’s Causeway and Devils Tower, amongst others, were formed around 840-890°C. In a nutshell, the study revealed that the prisms form when the magma was hot, but after it solidified. The laboratory experiments clearly demonstrate the power and significance of thermal contraction on the evolution of cooling rocks and the development of fractures.
According to one scientist in the Liverpool group, knowing the point at which cooling magma fractures is critical, as it initiates fluid circulation in the fracture network. Fluid flow controls heat transfer in volcanic systems, which can be harnessed for geothermal energy production. So the findings have tremendous applications for both volcanology and geothermal research. What is more, understanding how cooling magma and rocks contract and fracture is central to understand the stability of volcanic constructs as well as how heat is transferred in the Earth. The findings shed light on the enigmatic observations of coolant loss made by Icelandic engineers as they drilled into hot volcanic rocks in excess of 800°C; the loss of coolant in this environment was not anticipated, but the latest study suggests that substantial contraction of such hot rocks would have opened wide fractures that drained away the cooling slurry from the borehole in Iceland.
Source: University of Liverpool.

 

Illustration du processus de fracturation et de formation des colonnes basaltiques(Source: Université de Liverpool)

Chaussée des Géants (Irlande du Nord)

Devils Tower: De la science à la légende…

Photos: C. Grandpey