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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

L’Islande enterre le gaz carbonique ! // Iceland buries carbon dioxide !

Dans une note publiée le 17 juin 2016, j’expliquais qu’une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université de Southampton a 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.
Les chercheurs ont été surpris de voir à quelle vitesse la roche islandaise absorbe le CO2. Des expériences en laboratoire ont montré qu’il faudrait des décennies pour que le CO2 injecté dans le basalte parvienne à minéraliser. Les résultats du projet islandais démontrent, quant à eux, que la minéralisation pratiquement intégrale du CO2 in situ dans les roches basaltiques peut se produire en moins de 2 ans.
Suite à ce premier succès, Reykjavik Energy, qui exploite la centrale géothermique, a accéléré l’injection de CO2 au cours des deux dernières années. Les techniciens vont bientôt injecter dans le sous-sol un quart du CO2 émis par la centrale. Le coût du projet est relativement faible, d’environ 30 dollars par tonne de CO2.
Malgré son succès, il n’est pas certain que cet exemple de stockage du CO2 en Islande puisse être appliqué dans le monde entier. On ne sait pas vraiment ce qui permet la minéralisation rapide sur le site de CarbFix. Ce peut être dû à une combinaison de caractéristiques géologiques du sous-sol et de la géochimie des eaux souterraines, bien que les chercheurs pensent que leur approche de dissolution du CO2 dans l’eau avant l’injection joue un rôle important. D’autres expériences ailleurs dans le monde ont révélé des taux plus lents de minéralisation. En conséquence, même si le projet CarbFix est encourageant, il y a encore de grands défis à relever si l’on veut utiliser cette technologie pour réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Un récent reportage diffusé sur le site de la radio France Info revient sur ce projet fort intéressant. En conclusion, le journaliste évoque son utilisation dans les régions volcaniques françaises, comme le Massif Central, la Guadeloupe ou l’Ile de la Réunion. Vous accéderez au reportage en cliquant sur ce lien :

http://www.francetvinfo.fr/monde/environnement/rechauffement-climatique-l-islande-enterre-le-co2_2468294.html

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In a post released 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 researchers were surprised to see how quickly it all happened. Laboratory experiments have shown that it ought to take decades for CO2 injected into basalt to mineralize. However, the results of this study demonstrate that nearly complete in situ CO2 mineralization in basaltic rocks can occur in less than 2 years.

Following on this early success, Reykjavik Energy, which operates the geothermal power plant, has ramped up injection over the past couple years. They’ll soon be injecting a quarter of the CO2 released by the plant. The cost of the project is comparatively low, about $30 per ton of CO2.

Although successful, it is not sure this breakthrough demonstration of CO2 storage can be emulated around the world. It’s not entirely clear what allowed such rapid mineralization about the CarbFix site. It could be some combination of characteristics of the geology and groundwater chemistry, although the researchers think their approach of dissolving the CO2 in water before injection played a role. Other experiments elsewhere in the world have revealed slower rates of mineralization. As a consequence, even though the CarbFix project is encouraging, there are still some big challenges to be met if we want to use this technology to reduce greenhouse gas emissions in the atmosphere.

A recent report video on the website of the French radio France Info develops this very interesting project. In conclusion, the journalist imagines its use in the French volcanic regions, such as the Massif Central, Guadeloupe or Reunion Island. You will access the report by clicking on this link:
http://www.francetvinfo.fr/monde/environnement/rechauffement-climatique-l-islande-enterre-le-co2_2468294.html

Principe de l’enfouissement du CO2 dans le basalte islandais (Source: France Info)

Le maïs de Sunset Crater (Arizona) // The corn of Sunset Crater (Arizona)

drapeau-francaisSi un jour vous vous trouvez à passer par l’Arizona, le Sunset Crater Volcano National Monument est un endroit intéressant à visiter, à quelques kilomètres au nord de Flagstaff.
Les éruptions qui ont façonné le cône de 340 mètres de hauteur ont probablement eu lieu vers l’an 1085. L’événement le plus important s’est situé sur le Sunset Crater proprement dit et a été à l’origine des coulées de lave Bonito et Kana’a qui ont parcouru respectivement 2,5 kilomètres vers le NO et 9,6 kilomètres vers le NE. L’éruption du Sunset Crater a saupoudré de cendre et de lapilli une superficie de plus de 2100 kilomètres carrés. Le volcan, qui est partiellement recouvert de végétation, avec des forêts de pins, est considéré comme en sommeil par les volcanologues.
En 1998, au cours de l’étude d’un site à quelques kilomètres à l’ouest du Sunset Crater Volcano National Monument, une équipe d’archéologues a identifié et recueilli 55 morceaux de basalte en provenance de Sunset Crater sur lesquels figuraient les empreintes d’épis de maïs. Ces morceaux de basalte pèsent une quarantaine de kilos chacun et ils ont probablement été transportés depuis une coulée de lave par les Sinaguas, une population amérindienne locale. Il est évident que ces roches étaient importantes pour ces paysans.
Les empreintes de maïs présentent des détails remarquables: on distingue bien les grains, de même que des textures fines comme des rides à l’extrémité des grains pas tout à fait mûrs. On observe aussi quelques empreintes de feuilles de maïs en train de se consumer. Plusieurs morceaux de charbon de bois ont été extirpés des cavités les plus profondes.
Au cours d’un voyage à Hawaii avec leurs élèves, les archéologues ont apporté avec eux des épis de maïs hopi, ainsi que du maïs acheté dans un magasin à proximité. Tout d’abord, plusieurs épis ont été placés sur la trajectoire d’un lobe de lave qui avançait lentement, mais la lave visqueuse en cours de refroidissement n’a pas permis d’obtenir de bonnes empreintes du maïs. Il est donc peu probable que la lave du Sunset Crater ait recouvert  un amoncellement de maïs déjà récolté. Un scénario plus probable est que le maïs a été placé de manière intentionnelle, probablement comme une offrande, à proximité d’un cône de projections ou hornito. Bien qu’il y ait des hornitos actifs sur les coulées de lave du Kilauea, les archéologues n’ont pas été autorisés à s’en approcher, pour des raisons de sécurité.
Au cours de l’éruption du Sunset Crater, des hornitos semblables à ceux du Kilauea se sont formés au point de départ des deux coulées de lave Kana’a et Bonito. Plusieurs sont d’ailleurs facilement identifiables de nos jours. Les plaques de basalte et leurs empreintes de maïs ressemblent davantage à des conglomérats formés par des projections de lave qu’à la lave plus compacte d’une coulée.
Comme plusieurs morceaux de basalte avec des empreintes de maïs contiennent de la cendre, il se peut que les offrandes aient été placées sur une surface cendreuse ou que des retombées de cendre se produisaient au même moment que les projections de lave des hornitos. Dans les deux cas, les retombées de cendre avaient lieu en même temps, ou à peu près au même moment, que l’écoulement de la lave. Cette remarque est cohérente avec les recherches récentes qui indiquent que l’éruption s’est concentrée sur une période de temps d’un an ou moins.
Un détail des empreintes de maïs donne encore plus de précision. En effet, les rides présentes à l’extrémité des grains indiquent que le maïs était à quelques semaines de sa maturité. En supposant que le maïs ait été juste récolté, on peut penser que les offrandes ont été faites fin août ou début septembre. Cela correspond à une étude récente qui conclut que la majeure partie de l’éruption a eu lieu au cours d’une période allant de l’été au début de l’automne, quand le vent soufflait du sud-ouest.
On peut voir une exposition du basalte avec ses empreintes de maïs au Sunset Crater Visitor Center.
Source: Arizona Daily Sun.

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drapeau-anglaisIf you travel to Arizona, the Sunset Crater Volcano National Monument is an interesting place to visit, north of Flagstaff. The date of the eruptions that formed the 340-metre-high cone was probably around A.D. 1085. The largest vent of the eruption, Sunset Crater itself, was the source of the Bonito and Kana’a lava flows that extended about 2.5 kilometres NW and 9.6 kilometres NE, respectively. The Sunset Crater eruption produced a blanket of ash and lapilli covering an area of more than 2,100 square kilometres. The volcano, which has partially been revegetated with pines, is considered dormant by volcanologists.

In 1998, during the investigation of an archaeological site a few kilometres west of Sunset Crater Volcano National Monument, a team of archaeologists identified and collected 55 pieces of Sunset Crater basalt lava bearing impressions of prehistoric corn cobs. They weighed approximately 40 kilograms and had probably been carried from a Sunset lava flow by the Sinagua, a local Amerindian population. Clearly these corn rocks were important to the carriers.

The corn impressions are remarkably detailed: individual kernels can be easily distinguished; fine features like dimples at the tips of not-quite-ripe kernels are evident. Even a few impressions of flammable corn husk were preserved. Several pieces of charcoal were recovered from some of the deeper corn casts.

During a trip to Hawaii with their students, the archaeologists brought Hopi corn with them, supplemented by corn from a nearby store. First, several cobs were placed in the path of a slow-flowing lava lobe. But the cooling, viscous lava at the leading tip of the flow lobe failed to form decent impressions. Thus it is unlikely that the corn rocks formed when Sunset lava overran a pile of harvested corn. A more likely scenario is that the corn was intentionally placed, probably as some form of offering, close by a spatter cone or hornito. Although there are hornitos on Kilauea’s lava flows, the team was not permitted to approach active ones.

During the Sunset volcano eruption, similar hornitos formed atop both the Kana’a and Bonito lava flows. Several are identifiable today. The Sunset corn rocks more closely resemble agglomerations of lava spatter than dense masses of lava flow.

Because several Sunset corn rocks contain cinders, the offerings were either placed on a cindery surface or else cinder fallout was occurring simultaneous to the spattering. In either case, the cinder fallout from an eruption column was taking place simultaneously, or nearly so, with lava flow emplacement. This is consistent with recent research indicating a compressed period of time – one year or less – for the entire eruption.

One detail of the corn impressions provides the most precise timing. In the corn impressions, dimples on individual kernels signify that the corn was a few week shy of ripeness. Assuming the corn was freshly harvested, the corn offerings were made in late August or early September. This is consistent with the recent interpretation that much of the main eruption occurred during the period of summer-to-early-autumn southwesterly winds.

The corn rock display can be seen at Sunset Crater Visitor Center.

Source: Arizona Daily Sun.

Sunset crater

Photo: C. Grandpey

Basaltes lunaires // Lunar basalts

drapeau-francaisVous n’avez probablement jamais entendu parler du Lapin Jade ! Son nom appartient à un ancien mythe chinois qui explique qu’un lapin vit sur la Lune et sert d’animal de compagnie à la déesse lunaire Chang’e. Lapin Jade est aussi le nom donné à un véhicule d’exploration lunaire chinois, le premier à se déplacer à la surface de notre satellite depuis les missions américaines des années 1970.
Lapin Jade pèse 120 kg et dispose de 6 roues qui lui permettent de gravir des pentes jusqu’à 30 degrés et d’avancer à 200 mètres à l’heure. Il a à son bord une charge utile de haute technologie, avec un radar à pénétration de sol qui a effectué des mesures du sol et de la croûte lunaires. Lapin Jade est actuellement immobile sur la Lune.
Le robot a examiné une surface volcanique qui, jusqu’à maintenant, n’avait jamais été analysée de façon détaillée. Bien que les mesures prises lors des missions lunaires précédentes aient révélé la présence d’une vaste gamme de roches volcaniques sur la Lune, il avait été jusqu’à maintenant impossible de les échantillonner sur le terrain. En 2013, Lapin Jade a parcouru la surface de la Lune autour du cratère Zi Wei dans le bassin Imbrium et a pu effectuer des mesures.
Les premiers résultats montrent que cette région relativement jeune de notre satellite, qui s’est formée il y a près de trois milliards d’années, possède des caractéristiques minéralogiques uniques. On y trouve en particulier un nouveau type de roche basaltique qui n’a pas été échantillonné par les missions précédentes et n’a jamais été observé dans les météorites lunaires. Cette roche a une teneur « intermédiaire » en titane, comparée aux échantillons prélevés lors des missions Apollo et Luna qui révélaient des teneurs très faibles ou très élevées.
Le site d’alunissage qui a été choisi pour le robot lunaire est une coulée de lave relativement jeune située près d’un cratère où l’impact a fait remonter des matériaux juvéniles vers la surface. Ce sont les premières observations d’une région lunaire jamais explorée. Elles permettront probablement de faire avancer nos connaissances sur l’un des plus jeunes volcanismes de la Lune.
Source: Le Quotidien du Peuple.

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drapeau-anglaisYou’ve probably never heard of Jade Rabbit ! Its name derives from an ancient Chinese myth about a rabbit living on the Moon as the pet of the lunar goddess Chang’e. Jade Rabbit was also the name given to a Chinese lunar rover, the first wheeled vehicle to navigate the surface since the American missions of the 1970s.
The 120-kg and 6-wheel Jade Rabbit could climb slopes of up to 30 degrees and travel at 200 metres per hour. It carried a sophisticated payload, including ground-penetrating radar which gathered measurements of the lunar soil and crust. It is now immobile on the Moon.
The probe examined a volcanic surface that up to now had not been analysed in detail. Although measurements taken by previous lunar orbiters had suggested a range of volcanic rock types were present, until recently it had been impossible to sample them directly. In 2013, the Jade Rabbit was able to traverse the surface of the Moon around the Zi Wei crater in the Imbrium Basin and take measurements.
The first findings from the instruments show this relatively young region of the Moon, formed almost three billion years ago, has unique mineralogical characteristics. They suggest a new type of basaltic rock that has not been sampled by previous missions or observed in lunar meteorites. This rock has an « intermediate » amount of titanium versus the Apollo or Luna samples, which have either very high or very low amounts of the element
The site for the rover was specifically chosen to be on a relatively young lava flow and near a crater where the impact would have excavated fresh material onto the surface. These are pioneering observations of a region of the lunar landscape not previously explored, and help advance knowledge of some of the youngest volcanism on the Moon.
Source : People’s Daily.

Lunes 01

Lune 02

Echantillons recueillis par les Américains dans les années 1970 (Kennedy Space Center)

Photos: C. Grandpey