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La super éruption du Toba : Une affaire de cristaux de quartz ? // The Toba super eruption : A matter of quartz crystals ?

drapeau-francaisIl y a 73 000 ans, le Toba a connu une éruption cataclysmique. Le volcan appartient à la catégorie des « super volcans » dont les impacts sont si importants qu’ils peuvent provoquer un changement climatique à l’échelle de la planète. On estime que l’éruption du Toba a atteint le niveau 8 sur l’indice d’explosivité volcanique (VEI). Elle a expédié un volume de 2800 kilomètres cubes de cendre volcanique sur la région autour du volcan.
Un groupe de chercheurs de l’Université d’Uppsala et leurs collègues de différents pays ont peut-être trouvé ce qui déclenche les éruptions de ces super volcans ; c’es le contenu d’une nouvelle étude publiée dans la revue Scientific Reports.
La création et l’émission de quantités énormes de lave et autres matériaux au cours des super éruptions ont animé les débats entre les scientifiques pendant de longues années. Il est généralement admis que les volcans entrent en éruption quand se produisent des variations de densité et de pression, et qu’ils sont un moyen, pour la Terre, de libérer un excès de chaleur et de pression. Pourtant, le déclencheur précis des super éruptions reste un mystère.
Les chercheurs de l’Université d’Uppsala et leurs collègues ont peut-être apporté une réponse à cette question en étudiant des cristaux de quartz de taille millimétrique incrustés dans les cendres et roches volcaniques. Les cristaux de quartz se développent dans le magma et enregistrent les changements chimiques et thermodynamiques avant une éruption, de la même manière que les cernes des troncs d’arbres enregistrent le changement climatique. Le problème réside dans le fait que chaque cristal de quartz présente une taille millimétrique et il est donc extrêmement difficile de l’analyser en détail.
En étudiant les cristaux de quartz du Toba, les chercheurs ont constaté qu’il y avait une différence de composition et de poids entre la partie externe et la partie interne des cristaux. Sur leur partie externe, les cristaux sont plus lourds et contiennent une forme d’oxygène appelée 18O. À l’intérieur, cependant, il y a une forme plus légère appelée 16O. Selon les auteurs de l’étude, le ratio laisse supposer qu’une profonde modification s’est produite dans le système magmatique juste avant la grande éruption. Les chercheurs pensent que lorsque le magma a fondu, il a emporté avec lui un grand volume de roche à proximité contenant le même ratio. Ce type de roche contient aussi souvent beaucoup d’eau qui peut être libérée dans le magma en produisant de la vapeur et donc une pression accrue de gaz à l’intérieur de la chambre magmatique. Cette augmentation rapide de la pression gazeuse a permis finalement au magma de rompre la croûte qui le surmontait et le volcan a envoyé des milliers de kilomètres cubes de lave dans l’atmosphère.
Les chercheurs rappellent que l’éruption du Toba a été si colossale qu’elle a failli anéantir complètement l’humanité. En 1815, le volcan Tambora, sur l’île Sumbawa en Indonésie, a connu la plus grande éruption jamais observée dans les temps historiques, avec un VEI 7. Quelque 100 000 personnes ont péri des suites de l’éruption qui a provoqué un hiver volcanique sur la planète.
Si une éruption comme celle du Tambora se produisait aujourd’hui, elle provoquerait certainement de gros dégâts dans notre société. Je ne suis pas sûr que nous y soyons préparés quand je vois les perturbations que l’éruption que l’Eyjafjallajökull a causées au trafic aérien en 2010. L’éruption islandaise était une broutille comparée à celle du Tambora!
Source: Business Insider.

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drapeau-anglais73,000 years ago, Toba Volcano produced a cataclysmic eruption. The volcano belongs to the category of super volcanoes whose impacts are so huge that they can cause global climate change. It has been estimated that the Toba eruption reached level 8 on the Volcanic Explosivity Index. It covered 2,800 cubic kilometres of the surrounding area in volcanic ash

A group of researchers at Uppsala University and their international colleagues may have worked out what triggers super volcanoes to erupt in a new study published in the journal Scientific Reports.

How exactly the huge amounts of magma emitted during super eruptions are created has been a cause of debate between scientists for a long time. It is admitted that volcanoes erupt because of density and pressure, and generally it is a way that Earth can release excess heat and pressure. Still, the precise trigger has remained a mystery.

The Uppsala University researchers and their colleagues may have found some answers lying in millimetre-sized quartz crystals embedded in the volcanic ash and rock. Quartz crystals grow in magma, and register chemical and thermodynamical changes before an eruption, which is similar to how tree rings record climate change. The problem is that each ‘tree ring’-analogue is millimetre-sized across, which is why they are extremely challenging to analyse in detail.

While studying the quartz from Toba, the researchers found that there was a difference in the composition and weight of the outer part of the crystals compared to the inside. Around the outside the crystals were heavier and contained a form of oxygen called 18O. On the inside, however, there was a lighter form called 16O. According to the study authors, the ratio suggests that something in the magmatic system had changed drastically just before the big eruption. The researchers think that when the magma melted, it took along with it a large volume of a nearby rock which contained the same ratio. This rock type also often contains a lot of water, which may be released into the magma, producing steam, and thereby an increased gas pressure inside the magma chamber. This rapidly increased gas pressure and eventually allowed the magma to rupture the overlying crust, and send thousands of cubic kilometres of magma into the atmosphere.

Researchers remind us that Toba’s eruption was so colossal that it came close to wiping out humanity entirely. In 1815, the Tambora volcano on Sumbawa Island in Indonesia erupted in what is considered the largest ever eruption in recorded history. It was a VEI 7 on the VEI scale, but an estimated 100,000 people died from the effects, and it caused a global volcanic winter.

Should a Tambora eruption occur today, it would certainly cause heavy damage to our society and I’m not sure we are prepared for it when I see the disruption of Eyjafjallajökull caused to air traffic in 2010. The Icelandic eruption was a trifle compared with a Tambora-like event!

Source: Business Insider.

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Simulation des températures et de l’albédo à surface de la Terre après l’éruption du Toba (Source : Goddard Institute for Space Studies).

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Caldeira sommitale du Tambora (Crédit photo : NASA)

Les cristaux de feldspath du Mont St Helens // Mount St Helens’ feldspar cristals

drapeau francaisPlus de 36 ans après l’éruption du Mont St Helens en mai 1980, des scientifiques présents à la conférence Goldschmidt au Japon – événement réunissant plus de 3500 des meilleurs géochimistes au monde – ont révélé que les cristaux de feldspath inclus dans le magma pourraient permettre d’évaluer le risque de futures éruptions du St Helens et de certains autres volcans actifs dans monde.
Le point central des études effectuées par les géochimistes est le mouvement des cristaux de feldspath. Les chercheurs ont étudié la manière selon laquelle les cristaux de feldspath zonés ont grandi et se sont déplacés sous le St. Helens au cours de la phase pré-éruptive qui a débouché sur l’explosion de 1980. Tout comme les arbres, les cristaux sont constitués de couches concentriques, et comme les anneaux des arbres, les couches offrent aux scientifiques une fenêtre sur la formation et le déplacement des cristaux. Si l’on est capable de lire les données enregistrées dans les cristaux zonés, on apprend où et quand le magma s’est déplacé sous le volcan. L’ascension rapide du magma à des profondeurs de plusieurs kilomètres est une bonne indication que quelque chose d’important est en train de se produire.
Les chercheurs ont constaté que, pendant les trois années qui ont précédé l’éruption du Mt St Helens, les cristaux présents dans le magma sous le volcan sont passés d’une profondeur de plus de 10 kilomètres à moins de 5 kilomètres. C’est la preuve que le système magmatique était devenu instable, probablement au cours des mois ou des années avant l’éruption. Au vu de cette évolution, il est raisonnable de penser qu’une situation semblable précédera d’autres éruptions du St Helens et peut-être de nombreux autres volcans de la planète.
Cependant, la révélation faite lors de la conférence Goldschmidt ne se situe pas dans le cadre de la prévision en temps réel ; il s’agit davantage d’une étude rétrospective de ce qui s’est produit en profondeur sous le volcan avant l’éruption de 1980. Pourtant, les chercheurs espèrent que cette nouvelle approche facilitera les travaux sur d’autres volcans actifs comme le Pinatubo aux Philippines et le Bezymianny en Russie.
Source: The Oregonian.

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drapeau anglaisMore than 36 years after the eruption of Mt St Helens in May 1980, experts at the Goldschmidt conference in Japan, a meeting of more than 3,500 of the world’s top geochemists, have revealed that feldspar crystals in the magma could help experts assess the risk of future eruptions at Mount St Helens and some of the world’s other most active volcanoes.

The focus of the studies was on the movement of feldspar crystals. The researchers looked for signs in the way zoned feldspar crystals grew and moved beneath Mount St. Helens in the build-up to the 1980 eruption. Much like trees, the crystals are made up of concentric layers, and like tree rings, the layers offer scientists a window into the conditions present when the crystals form and how they move as they grow. If one can read the record preserved in the zoned crystals, one can learn where and when magma has moved under the volcano. Rapid upward movement of magma at depths of several kilometres is a good indication that something significant is happening.

Researchers found that, in the three years preceding the Mt St Helens eruption, crystals in the magma beneath the volcano rose from a depth of more than 10 kilometres to less than 5 kilometres. This indicated that the magma system beneath the volcano had become destabilised, probably in the months to years before the eruption. Taking this movement into account, it is reasonable to assume that similar movement will precede any further eruptions on Mt St Helens and perhaps on many other volcanoes.

However, the revelation made during the Goldschmidt conference is not real-time monitoring it is rather a retrospective study of what went down deep beneath the volcano before it erupted. Still, researchers are hopeful this new information will help their studies of other active volcanoes like Mt. Pinatubo in the Philippines and Bezymianny in Russia.

Source: The Oregonian.

St-Helens-blog

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)