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

Histoire de noms de lieux // About names of places

drapeau-francaisComme je l’ai écrit précédemment, désormais la plus haute montagne des États-Unis ne s’appellera plus Mont Mc Kinley. A la veille de son voyage en Alaska, le président Obama lui a redonné son nom d’origine, Denali, pour faire plaisir aux Alaskiens autochtones qui faisaient campagne depuis longtemps pour renommer la montagne.

NDLR : En acceptant de donner au Mont Mc Kinley son nom d’origine, Obama fait une fleur aux peuplades autochtones dont plusieurs villages côtiers subissent les effets du réchauffement climatique. En amadouant ces peuplades, en les relogeant si nécessaire, il sera bien sûr  plus facile au Président de conduire à sa guise la politique dans l’Océan Arctique, que ce soit au niveau du trafic maritime ou dans le domaine des forages pétroliers.

La décision de donner un nouveau nom à un lieu est généralement prise par le Board on Geographic Names – Conseil américain sur les noms géographiques – qui reçoit des centaines de demandes chaque année pour changer des noms d’entités géographiques dans le pays. Dans chaque cas, le Conseil sollicite les avis des communautés locales, du gouvernement local, de l’Etat et des gestionnaires des terres concernées, telles que les parcs ou les services forestiers. Le Conseil examine aussi les données cadastrales passées et actuelles et vote sur le changement de nom proposé.
Les Alaskiens demandaient au Conseil de renommer le mont McKinley depuis 1975. A cause de la pression politique de l’Ohio, l’Etat où est né le président William McKinley, aucune décision n’avait été prise sur le changement de nom jusqu’à cette semaine. La secrétaire américaine de l’Intérieur a alors exercé son droit d’agir sans l’avis du Conseil. On en devine facilement la raison !

Certains Amérindiens ont demandé que d’autres lieux puissent retrouver officiellement leur nom d’origine. C’est le cas de Devils Tower dans le Wyoming. Le Conseil américain sur les noms géographiques examine en ce moment une proposition du chef spirituel amérindien Arvol Looking Horse de redonner à Devils Tower son nom sioux et cheyenne – Bear Lodge, la Demeure de l’Ours.
Elu au rang de premier Monument National aux Etats Unis en 1906, « Devils Tower » était la traduction erronée de « Bad God’s Tower. » Looking Horse, un Sioux, a affirmé que « Devils Tower » était offensant car cela revient à assimiler les traditions culturelles et religieuses pratiquées sur le site à un «culte du diable » et à considérer les peuples autochtones comme des «diables ».
D’autres noms ont été proposés pour Devils Tower par les autochtones, comme  Bear’s House (par les Crow), Bear’s Tipi (par les Arapaho), et Tree Rock (par les Kiowa).

Les Amérindiens ont également déposé des demandes visant à renommer le Mont Rainier, le point culminant de l’État de Washington. Le nom « Mt. Rainier » a été attribué au volcan par l’explorateur George Vancouver dans les années 1790 pour honorer un membre de la Marine Royale britannique. Parmi les alternatives proposées, on relève Tahoma ou Tacoma, qui signifie « sommet de montagne enneigé », ou Ti’Swaq, qui signifie « nettoyeur des cieux. »
Le Conseil a rejeté à plusieurs reprises de telles propositions car il n’était pas suffisamment prouvé que ces noms alternatifs étaient largement utilisés.

Certains Indiens d’Amérique ne sont pas satisfaits de l’appellation « Mont St. Helens », dans l’ouest du volcan l’État de Washington. Selon l’USGS, le Mont St. Helens était appelé Louwala-Clough, ou Montagne Fumante, par certains Amérindiens locaux. Mais en 1792, c’est encore George Vancouver qui lui a donné son nom actuel, cette fois en référence à l’ambassadeur britannique  en Espagne, Alleyne Fitzherbert, dont le titre était Baron St. Helens.
Le Conseil américain sur les noms géographiques indique qu’il n’a pas reçu suffisamment de soutien local pour prononcer un tel changement.
Source: National Geographic.

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drapeau anglaisAs I put it previously, the highest mountain of the United States will no longer be called Mount Mc Kinley. On the eve of his trip to Alaska, President Obama gave it back its native name, Denali, to please Native Alaskans who had been lobbying to rename the mountain.

Such a naming decision is usually made by the U.S. Board on Geographic Names which receives hundreds of requests each year to change the names of geographical features all over the country. In each case, it solicits input from the local community, local government, the state, and relevant land managers, such as the parks or forestry service. The board reviews past and current maps and votes on the proposed change.

Alaskans had been asking the board to rename Mount McKinley since 1975. In the face of political pressure from Ohio, the birthplace of President William McKinley, no decision had been made on the name change until this week, when the U.S. Secretary of Interior exercised her right to act without the board.

Some Native Americans have asked that the indigenous names of other peaks also be officially restored: One of them is Devil’s Tower. The board is considering a proposal from Native American spiritual leader Arvol Looking Horse to rename Devil’s Tower in Wyoming to the traditional Sioux and Cheyenne name, Bear Lodge.

Designated as the country’s first national monument in 1906, « Devils Tower » was a white man’s mistranslation of the words « Bad God’s Tower, » Looking Horse, a Sioux, said “Devils Tower” was offensive « because it equates cultural and faith traditions practiced at this site to ‘devil worship,’ in essence equating indigenous people to ‘devils.' »

Other Native names for Devil’s Tower include Bear’s House (Crow), Bear’s Tipi (Arapaho), and Tree Rock (Kiowa).

Native Americans have filed several requests over the years to rename Mount Rainier, the highest point in Washington State. The name Mt. Rainier was bestowed by explorer George Vancouver in the 1790s to honor a fellow member of the British Royal Navy (one who fought against the U.S. in the Revolution). Alternative names suggested include Tahoma or Tacoma, which mean “snowy mountain peak,” or Ti’Swaq, which means “sky wiper.”

The Board has repeatedly rejected the proposals because of insufficient evidence that alternative names are widely used.

Some American Indians have complained about the origin of the name Mt. St. Helens, the volcano in western Washington State. According to the United States Geological Survey, Mount St. Helens was called  Louwala-Clough, or Smoking Mountain, by some local Native Americans. But in 1792 it was also named by George Vancouver, this time for the British Ambassador to Spain, Alleyne Fitzherbert, whose title was Baron St. Helens.

The Board says it isn’t aware of much local support for such a change.

Source: National Geographic.

Photos: C. Grandpey

Devils Tower (Wyoming / Etats Unis) : De la légende à la science // Devils Tower : From legend to science

drapeau francaisSi vous lisez le livre “Dans les pas de l’Ours” de Jacques Drouin et Claude Grandpey (Editions Séquoia), vous trouverez un chapitre consacré à Devils Tower. Cette étrange structure volcanique se dresse au beau milieu de terrains sédimentaires dans l’Etat du Wyoming.

DevilsTower est surtout connue pour une belle légende amérindienne qui prétend que les stries qui parcourent le monolithe ont été provoquées par les griffes d’un ours. Mais je n’en dis pas plus ; je vous renvoie aux pages de l’ouvrage !

L’origine de cette structure phonolitique de 386 mètres de hauteur est débattue depuis des lustres et plusieurs théories se sont affrontées pour expliquer son apparition il y a quelque 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.

Récemment, des géologues tchèques ont appuyé cette hypothèse en comparant Devils Tower à une structure géologique semblable connue sous le nom de Bořeň dans leur pays. D’après eux, Bořeň est le vestige d’un diatrème (également appelé maar-diatrème) né d’une explosion provoquée par la rencontre du magma et de l’eau souterraine. Après cette explosion, un dôme aurait rempli le cratère et l’érosion l’aurait déchaussé au cours des millénaires suivants.

Pour démontrer que Devils Tower ressemble à Bořeň, les géologues tchèques se sont intéressés à l’agencement des colonnes du monolithe et à l’alignement des minéraux magnétiques qui se trouvent à l’intérieur. En analysant des échantillons de roches, ils ont constaté que, vers la base de l’édifice, les minéraux magnétiques en forme d’aiguilles inclus dans la roche sont disposés pratiquement verticalement, ce qui correspond à la direction prise par le magma avant sa solidification. En revanche, vers le sommet, l’orientation des minéraux devient horizontale.

En se référant à ces observations, les scientifiques ont procédé à des manipulations physiques et des simulations numériques en laboratoire.

En introduisant et en compressant du plâtre liquide dans un cône inversé où ils avaient au préalable introduit des sédiments, ils ont obtenu un monticule semblable à celui qui apparaît à l’issue de l’explosion d’un maar-diatrème. Une fois le plâtre durci, ils en ont fait une coupe et observé l’intérieur. Des colorants leur ont permis de voir le trajet suivi par le matériau compressé. Comme ils avaient également introduit des particules magnétiques,  ils ont pu étudier leur orientation, de la même façon qu’ils l’avaient fait à Devils Tower.

Les simulations informatiques ont permis d’observer la formation des colonnes de Devils Tower dans différents scénarios.

Les colonnes verticales de Devils Tower – qui s’évasent à leur base – correspondent au résultat obtenu lors de la manipulation avec un cratère en forme d’entonnoir dans le col duquel s’est formé un bouchon de lave. Dans cette partie des modèles en plâtre, l’orientation des particules magnétiques correspond à celle des minéraux de Devils Tower : on a une tendance à la verticale à la base et à l’horizontale vers le sommet.

La conclusion des scientifiques tchèques est que « Devils Tower est le vestige d’un épanchement de lave ou d’un dôme de forme aplatie qui s’est mis en place à l’intérieur d’un vaste cratère phréato-magmatique au sommet d’un édifice volcanique de type maar-diatrème ».

Si beaucoup de scientifiques admettent l’hypothèse tchèque, ils ne sont pas convaincus que ce soit la seule explication possible de la formation de Devils Tower. Il serait probablement utile d’étudier les formations de même type, mais beaucoup moins visibles, qui existent dans cette région du Wyoming.

Source : Scientific American.

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drapeau anglaisA number of hypotheses for the 49-million-year-old monolith have been put forward over the years. The most popular explanations today either refer to some magma ascent squeezed in between subsurface layers of sediments, or within a conduit deep inside a volcano.

Recently, Czech geologists supported this theory by comparing Devils Tower with a similar geological structure known as Bořeň in the Czech Republic. The researchers concluded that Bořeň is the product of a maar-diatreme, which is built by an explosion when a body of magma underground encounters groundwater. After the blast, they believe, a flat dome of lava filled the crater. Erosion ate away at the edges of that dome during the following millenniums until only the innermost portion remained at the surface.

To demonstrate the similarities between Bořeň and Devils Tower, the Czech researchers studied the distinctive shape of the Devils Tower columns and the alignment of magnetic minerals within them. By analysing rock samples, they noticed that near the base the needle-shaped magnetic minerals within the rock are generally close to vertical, the result of the direction the magma flowed before it solidified. Closer to the top of the formation, however, the orientation of those minerals becomes horizontal.

With that information in hand, the researchers turned to models, both digital and physical: The physical one involved squeezing soft plaster upward through an inverted cone full of sediment until it formed a mound atop the surface. This approximated the eruption of lava following the explosive phase of a maar-diatreme volcano. When the plaster hardened, the researchers could cut it open to examine the interior structure, highlighted by some colorant that formed stripes distorted by flow. Because they mixed in some magnetic particles as well, they could also measure their orientation just as they had done at Devils Tower.

The digital model allowed the researchers to compare columns that would be produced in different scenarios of the tower’s formation.  .

The vertical columns of Devils Tower, which splay outward near the bottom, match the pattern expected if the formation were indeed the plug in the neck of a funnel-shaped crater filled with a dome of erupted lava. In that portion of the plaster models the orientation of the magnetic particles also matches the orientation of the minerals from Devils Tower: closer to vertical around the base and horizontal near the top.

The conclusion of the Czech researchers was that “Devils Tower is a remnant of a coulee or low lava dome that was emplaced into a broad phreatomagmatic crater at the top of a maar-diatreme volcano.”

If many scientists admit the Czech hypothesis, they are not convinced it is the sole explanation for the formation of Devils Tower. It might be interesting to study the similar, if less spectacular, buttes in the vicinity of Devils Tower, which likely formed in the same way.

Source : Scientific American.

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De la légende….

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…à la dure réalité géologique

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En juin, certaines tribus amérindiennes procèdent à des cérémonies au pied du monolithe.

(Photos:  C. Grandpey)

La belle légende de Devils Tower (Wyoming / Etats Unis) // The nice legend around Devils Tower

J’ai vu, parmi les voyages organisés prévus en 2014, que l’un d’eux avait à son programme une étape à Devils Tower dans le Wyoming. C’est vrai que le lieu est assez surprenant et on ne s’attend guère à voir surgir ce monolithe dans le paysage.

Personnellement, plus que l’intérêt géologique, je préfère la belle légende indienne qui entoure Devils Tower. Elle 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.

D’un point de vue géologique, Devils Tower a vu s’opposer différentes théories pour expliquer sa présence au sein d’une région pas spécialement volcanique, composée essentiellement de roches sédimentaires. Le monolithe est très probablement le résultat d’une intrusion magmatique – culot volcanique, diront certains – qui a été déchaussée par l’érosion. La roche qui le constitue est une phonolithe découpée en colonnes de longs prismes hexagonaux pendant le refroidissement. Mais tout cela fait beaucoup moins rêver qu’une légende…

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I have seen that Devils Tower, Wyoming, was one of the journeys planned in 2014. It is true that the place is quite surprising and we do not expect to see this monolith emerge from the landscape.
Personally, more than the geological interest, I prefer the beautiful Indian legend that surrounds Devils Tower. It tells 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.
From a geological point of view, Devils Tower has been opposed to different theories to explain its presence in a region not specifically volcanic, composed mainly of sedimentary rocks. The monolith is very likely the result of a magmatic intrusion that has been the victim of erosion. The rock is phonolite cut into columns of long hexagonal prisms during the cooling process. But all this is much less dream than a legend …

 

Un monolithe étrange au sein d’un paysage sédimentaire…

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…. des colonnes de phonolithe aux longs prismes hexagonaux …

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… et, au final, une belle légende !

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(Photos:  C.  Grandpey)