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Volcan, cratère et caldeira // Volcano, crater and caldera

drapeau-francaisLes scientifiques du HVO ont récemment rédigé un article intéressant dans lequel ils ont essayé de répondre à une question qui m’a été posée une fois par un très jeune spectateur au cours de l’une de mes conférences: Qu’est-ce qu’un volcan?
Dans l’article, les auteurs se demandent pourquoi des édifices tels que le Mauna Loa, le Mauna Kea ou le Kilauea sur la Grande Ile d’Hawaii sont appelés «volcans» alors que les cônes qui se dressent sur leurs pentes ne bénéficient pas de cette appellation. Un volcan n’est-il pas un endroit où la lave atteint la surface de la Terre? Pourquoi la Grande Ile a-t-elle seulement cinq volcans et pas des centaines?
Selon une définition du dictionnaire, un volcan est une ouverture dans la croûte terrestre au travers de laquelle est évacuée la roche ou la lave. Dans un autre dictionnaire, on peut lire qu’un volcan est une colline ou une montagne en forme de cône qui s’est édifiée autour d’une bouche. La plupart des volcanologues n’acceptent pas ces deux définitions.
Pour un volcanologue, un volcan est un édifice contenant une bouche ou un ensemble de bouches alimentées directement par du magma en provenance d’une grande profondeur, généralement plus de 30 kilomètres, et une centaine de kilomètres à Hawaii.
En revanche, tous les cônes qui parsèment les pentes des volcans mentionnés ci-dessus sont alimentés par du magma issu du conduit principal à faible profondeur, probablement 10 km ou beaucoup moins. Ces cônes sont comme les extrémités des branches d’un arbre, tandis que le volcan profondément enraciné représente le tronc de l’arbre. Plusieurs termes sont utilisés pour décrire ces bouches dépourvues de racines profondes et qui tirent leur magma du conduit principal d’alimentation. On les appelle généralement cratères adventifs, bouches parasites ou bouches fissurales.
L’apparence physique ne suffit pas pour faire la distinction entre le volcan principal et un cratère adventif sur ce volcan. Ainsi, faute de preuves géophysique, il serait presque impossible de savoir, par exemple, que le Pu’uO’o est alimenté à partir d’une faible profondeur sur le Kilauea.
La deuxième définition du dictionnaire nous apprend qu’un « volcan » est une colline ou une montagne en forme de cône qui s’est édifiée autour d’une bouche. Une telle définition ne convient pas pour des volcans tels que le Kilauea dont la forme n’est pas du tout celle d’un cône. D’autres types de volcans n’ont pas une forme conique, eux non plus. C’est le cas des vastes caldeiras comme celle de Long Valley en Californie ou de Yellowstone dans le Wyoming. Sans quelques connaissances géologiques, on serait incapable de dire que ces vastes dépressions sont des volcans.
Les visiteurs du Parc National des Volcans d’Hawaii font souvent remarquer que le cratère du Kilauea ne ressemble pas à un volcan. Même les personnes qui possèdent des connaissances en géologie font cette remarque parce que l’image du Mont Fuji au Japon ou du Mayon aux Philippines est fortement ancrée dans les esprits et représente le stéréotype d’un « vrai »volcan. Si ces mêmes visiteurs étaient venus au sommet du Kilauea en l’an 1400 de notre ère, ils auraient vu un volcan bouclier plutôt qu’une caldeira. La caldeira s’est formée suite à l’effondrement du volcan bouclier une centaine d’années plus tard. Cela montre bien que la forme d’un volcan peut changer radicalement et rapidement, si bien que le cône ou le bouclier observé une année peut se transformer en une caldeira l’année suivante. On peut en conclure que la forme est sans importance et peut même être source de confusion pour définir un volcan.

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drapeau-anglaisHVO scientists recently wrote an interesting article in which they tried to answer a question I was asked once by a very young spectator at one of my conferences: What is a volcano?
In the article, the authors wonder why such structures as Mauna Loa, Mauna Kea or Kilauea on Hawaii Big Island are called “volcanoes” whereas the cones that do their slopes are named differently. Isn’t a volcano a place where lava reaches the surface of the earth? Why doesn’t the island have hundreds of volcanoes instead of only five?
In one dictionary definition, a volcano is an opening in the Earth’s crust through which rock or lava is ejected. In another, a volcano is a cone-shaped hill or mountain built around a vent. Most volcanologists disagree with both of these definitions.
To a volcanologist, a volcano is a structure containing a vent or cluster of vents fed by magma rising directly from great depth within the Earth, generally more than 30 km and in Hawaii about 100 km.
In contrast, all of the cones that dot the slopes of the above-mentioned volcanoes are supplied by magma that branched off the main conduit at a shallow depth, probably 10 km deep or much less. These cones are analogous to limbs on a tree, and the deeply rooted volcano is equivalent to the trunk of the tree.
Several terms are used to describe the vents that lack deep roots and get their magma from the main feeder conduit; they are usually refered to as flank vents, parasitic vents, and rift vents. Physical appearance cannot be used to make the distinction between a volcano and a subsidiary vent on that volcano. Lacking geophysical evidence, it would be nearly impossible to know, for example, that Pu’uO’o is fed from shallow depth. With that evidence, though, a clear distinction can be made.
The second dictionary definition of “volcano” – a cone-shaped hill or mountain built around a vent – is irrelevant for volcanoes such as Kilauea whose shape is far from that of a cone. Another type of volcano lacking a cone shape is a large caldera, such as Long Valley in eastern California or Yellowstone in Wyoming. No one would guess, without doing some geological knowledge, that these wide shallow depressions are volcanoes.
Visitors to Hawaii Volcanoes National Park often remark that Kilauea Crater doesn’t look like a volcano. Even visitors trained in geology make that comment, because the image of Mount Fuji in Japan or Mayon in the Philippines is strongly entrenched as the stereotype of a “real” volcano. Had these visitors come to the summit of Kilauea in 1400 CE, however, they would have seen a lava shield rather than a caldera. The caldera formed by collapse of the shield about 100 years later. This shows that the shape can change drastically and quickly, and one year’s cone or shield can be next year’s caldera. So, shape is unimportant and may even be confusing for defining a volcano.

Caldeira Kilauea

Caldeira du Kilauea et cratère de l’Halema’uma’u en 2007  (Photo: C. Grandpey)

L’hélium de Yellowstone // Helium at Yellowstone

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Yell-blog

Photo:  C.  Grandpey

 

Nouvelle approche des chambres magmatiques // A new approach of magma chambers

   Des chercheurs de l’Université de Bristol (Grande Bretagne) ont publié dans le Journal of Geophysical Research les résultats d’une nouvelle étude censée aider les scientifiques dans la compréhension des processus de formation des chambres magmatiques et le déclenchement des éruptions. La recherche a été financée par le Conseil Européen de la Recherche.

C’est bien connu : à l’issue des éruptions les plus violentes, il peut se produire l’effondrement du couvercle qui se trouve au-dessus du réservoir magmatique qui vient de se vider. Il se forme alors une dépression appelée caldeira. Il s’agit de l’un des événements les plus dévastateurs sur Terre car il menace les zones habitées à proximité et peut avoir un impact sur le climat de la planète.

L’étude, réalisée par deux étudiants du département des Sciences de la Terre de l’Université de Bristol, montre que les chambres magmatiques susceptibles de provoquer des éruptions donnant naissance à des caldeiras se développent probablement plus rapidement et avec une montée de magma initiale plus faible qu’on le pensait jusqu’à présent.

L’idée la plus répandue jusqu’à aujourd’hui était que seule une augmentation progressive de l’alimentation magmatique pouvait former la chambre magmatique de grande envergure nécessaire au déclenchement d’une forte éruption entraînant la formation d’une caldeira.

Contrairement à cette hypothèse, les modélisations informatiques réalisées par les chercheurs montrent que cette formation n’est guère possible avec une alimentation magmatique progressive. Cette alimentation doit augmenter très fortement et presque instantanément, en tout cas beaucoup plus fortement que la normale, pour donner naissance à un volumineux réservoir magmatique.

Si cette hypothèse se vérifie, il sera vraiment difficile de prévoir de telles éruptions volcaniques dans la mesure où les signes annonciateurs tels que la déformation du sol ne pourront être détectés que très peu de temps avant le début de l’éruption.

Source: The Post (This is Bristol).

 

   Researchers from Bristol University in Great Britain have unveiled in the Journal of Geophysical Research the results of a new study which is supposed to help scientists to understand magma chamber processes and volcanic eruption timing. The research was funded by the European Research Council (ERC).

It is well known that violent eruptions can lead to collapse of the solid lid above the drained magma reservoir and create a depression called a caldera. They are among the most devastating natural processes on Earth, threatening not only nearby settlements but also impacting upon the global climate.

The study by two students in Bristol’s School of Earth Sciences shows that magma chambers required for caldera-forming eruptions might grow faster and with less initial magma input than previously thought. Indeed, it was previously believed that a gradual increase in the magma input could form a large magma chamber which is necessary prior to a big caldera-forming eruption. However, the researchers’ numerical models show that this is quite difficult with a continuously rising magma influx. Instead, the magma input has to increase drastically and almost instantaneously above the background magma flux in order to create a big magma reservoir.

If such a hypothesis is confirmed, it will increase the difficulty of making volcanic eruption forecasts because precursors of an eruption such as ground deformation would be detectable just shortly before an eruption.

Source: The Post (This is Bristol).

Crater-Lake

Caldeira de Crater Lake (Etats Unis)   [Photo:  C. Grandpey]