Pourquoi les volcans entrent-ils en éruption ?
― Comme ouvrir une bouteille de soda
Une éruption volcanique n'est pas un phénomène où « la chaleur fait jaillir le magma ». C'est un gaz comprimé qui se libère de la pression et redevient bulles. Exactement ce qui se passe quand on ouvre une bouteille de soda. La seule différence, c'est que le contenu est plus ou moins visqueux.
Le contenu d'une bouteille fermée ressemble à un simple liquide. On ne voit aucune bulle. Le dioxyde de carbone est dissous dans le liquide ; il est simplement invisible.
Quand on ouvre la bouteille, ça fait « pschitt » et des bulles apparaissent. Le contenu n'a pas changé. Seule la pression a changé. La force qui comprimait le liquide a disparu, alors le gaz qui ne pouvait plus rester dissous est devenu des bulles.
Maintenant, imaginons que le contenu ne soit pas de l'eau mais une mélasse visqueuse. Les bulles ne peuvent plus s'échapper vers le haut : elles poussent tout le liquide devant elles. Secouez fort avant d'ouvrir, et ça gicle.
C'est exactement ça, un volcan. La bouteille, c'est le sol ; le contenu, c'est le magma ; le gaz dissous, c'est l'eau et le dioxyde de carbone.
En profondeur, la pression est très forte, donc l'eau comme le dioxyde de carbone restent dissous dans le magma. En remontant, la pression chute : le gaz ne peut plus rester dissous et devient des bulles.
Si le magma est fluide, les bulles s'échappent et la lave coule tranquillement. S'il est visqueux, les bulles restent piégées et explosent d'un coup à la limite de rupture.
Autrement dit, ce n'est pas la température qui détermine la violence d'une éruption, mais la « viscosité » du magma. Voyons cela en détail.
Sous terre, le gaz reste « invisible »
Le magma contient quelques pour cent d'eau et de dioxyde de carbone. Mais en profondeur, ce gaz n'existe pas sous forme de bulles. Il est comprimé par une forte pression et reste dissous dans le magma.
La quantité de gaz qu'un liquide peut dissoudre augmente avec la pression exercée. Si les boissons gazeuses sont mises en bouteille sous forte pression, c'est justement pour que tout le dioxyde de carbone puisse s'y dissoudre.
Quand le magma remonte, le poids de la roche qui le surplombe diminue. Moins de pression, c'est moins de gaz qui peut rester dissous. Le surplus devient des bulles.
Et là, tout s'accélère. Les bulles allègent l'ensemble du magma, qui remonte encore plus vite. Plus il remonte, plus la pression chute, et plus de bulles se forment. C'est un cercle qui ne s'arrête plus.
C'est le bouchon qui saute, et les bulles qui montent.
Tout se joue sur la capacité des bulles à s'échapper
C'est là que la viscosité du magma devient déterminante. Elle varie fortement selon la proportion d'un certain composant dans le magma. Moins il y en a, plus le magma est fluide ; plus il y en a, plus il est visqueux.
Les bulles remontent et s'échappent, la pression ne s'accumule pas. L'éruption prend la forme d'une coulée de lave, comme une rivière rouge. C'est le cas des volcans d'Hawaï.
Les bulles ne peuvent pas s'échapper et le magma continue de gonfler de l'intérieur. Finalement, le magma lui-même se déchire en fragments et jaillit avec une violence extrême.
Le cas B, où « le magma se déchire », est l'instant le plus important d'une éruption. Ce qui était liquide un instant plus tôt devient, en une fraction de seconde, un mélange de fins fragments et de gaz brûlant. Ces fragments deviennent des cendres volcaniques s'ils montent dans le ciel, ou une nuée ardente s'ils dévalent une pente.
La plupart des volcans japonais se situent entre ces deux extrêmes, plutôt du côté visqueux. C'est pourquoi le Japon doit se préparer à des éruptions explosives.
Une nuée ardente est un mélange de cendres brûlantes, de fragments de roche et de gaz qui dévale une pente. Elle peut atteindre plusieurs centaines de degrés et dépasser, dit-on, 100 km/h.
Il est en pratique impossible de la voir venir puis de courir pour l'éviter. Elle ne suit pas forcément les vallées : elle peut aussi franchir des crêtes. La seule protection, c'est de ne pas se trouver dans sa zone d'atteinte.
C'est pourquoi l'évacuation doit se faire non pas « une fois que ça arrive », mais dès qu'une alerte est émise. Se dire « ça a l'air d'aller encore » est précisément le plus grand danger de ce type de catastrophe.
Avant de grimper, là où l'on habite : ce qu'on peut faire
- Avant de partir, vérifiez toujours le niveau d'alerte volcaniqueL'agence météorologique japonaise le publie pour chaque volcan. Ne grimpez pas sur une montagne dont le niveau est relevé. « Puisqu'on est venus jusqu'ici » est la pensée la plus dangereuse. Déposez aussi une déclaration d'itinéraire de randonnée.
- En montagne, pensez au casque et aux abrisLes projections volcaniques sont des blocs de plusieurs dizaines de centimètres qui volent à grande vitesse. Repérez sur une carte, avant de partir, un casque et l'emplacement d'un refuge ou d'un abri anti-éruption. Un surplomb rocheux solide peut aussi servir.
- Si l'éruption commence, éloignez-vous immédiatement du cratère et suivez les consignesProtégez votre tête et dirigez-vous face au vent, en descendant. Si des cendres tombent, protégez bouche et yeux avec un masque et des lunettes (à défaut, une serviette et des lunettes de vue). En cas de blessé, appelez le 119. Ensuite, suivez les informations de la municipalité et de l'agence météorologique.
Ce ne sont pas des résidus de combustion, mais des fragments de verre et de minéraux issus de l'éclatement du magma. Leurs arêtes sont coupantes, et elles ont les propriétés suivantes :
- Elles blessent les yeux et la gorge. Ne frottez pas : rincez à l'eau
- Elles s'alourdissent au contact de l'eau. Accumulées sur un toit, elles peuvent le faire s'effondrer
- Elles s'infiltrent dans les mécanismes. Moteurs et climatisations en souffrent. Les avions ne peuvent plus voler
- La pluie les transforme en coulées de boue. Le danger persiste bien après la fin de l'éruption, à chaque grosse pluie
Une fois les cendres accumulées, il est recommandé de les rincer à l'eau ou de les humidifier avant de les ramasser, plutôt que de les balayer. Balayer de la cendre sèche la fait s'envoler, avec un risque d'inhalation.
Ce qu'on peut vérifier dans sa cuisine (sans feu)
- Préparez deux verres transparents avec ① de l'eau ② du miel ou du sirop
- Dans chacun, soufflez lentement avec une paille et observez ce qui arrive aux bulles
- Dans l'eau, les bulles remontent aussitôt et disparaissent. Dans le sirop, elles restent piégées à l'intérieur et gonflent
- Prenez ensuite une bouteille de soda et observez avant et après l'ouverture. Vérifiez qu'aucune bulle n'est visible avant l'ouverture
- (Dans un endroit sûr) secouez-la un peu avant d'ouvrir : vous verrez que la violence du jet change aussi
La différence entre l'eau et le sirop, c'est exactement la différence entre les volcans d'Hawaï et les volcans japonais. Même quantité de bulles formées, mais un résultat radicalement différent selon qu'elles peuvent s'échapper ou non. Si vous secouez et ouvrez une bouteille de soda, faites-le dehors ou au-dessus d'un évier.
En résumé
Un volcan entre en éruption parce que le gaz comprimé et dissous sous terre redevient des bulles quand la remontée fait chuter la pression. C'est le même principe qu'ouvrir une bouteille de soda. Et ce n'est pas la température, mais la capacité des bulles à s'échapper — la viscosité du magma — qui détermine la violence de l'éruption.
Le type d'une éruption se décide sous terre.
C'est pourquoi chaque montagne demande une préparation différente.
Les bulles nées à ce moment, figées avant d'avoir pu s'échapper complètement, forment la pierre ponce. La raison pour laquelle une pierre qui tient dans la main flotte sur l'eau est expliquée dans Pourquoi la pierre ponce flotte-t-elle sur l'eau alors que c'est une pierre ?. Et l'histoire des ondes de pression, poussées par de grandes éruptions, qui ont fait plusieurs fois le tour de la Terre, est racontée dans Jusqu'où porte le bruit d'une grande éruption ?.
Pour aller plus loin ― termes, chiffres, liens avec les manuels scolairesDu collège aux sujets de recherche en cours, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègece qui relève du programme de sciences au collège
- Lycéece qui relève des matières « sciences de la Terre de base » et « chimie de base » au lycée
- Lycée+« sciences de la Terre » ou « chimie » approfondies au lycée, ou contenu figurant en encadré/complément dans les manuels
- Universitécontenu non enseigné au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (volcanologie)
- Recherchesujets qui ne sont pas encore enseignés à l'université comme des « faits établis », mais que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : les mots du volcanisme
- Magma : roche fondue présente sous terre. Une fois arrivée en surface, on l'appelle lave.
- Composants volatils : eau, dioxyde de carbone, etc., dissous dans le magma. C'est le « gaz » du texte principal.
- Viscosité : résistance à l'écoulement. Pour le magma, elle varie fortement selon la proportion de dioxyde de silicium.
- Nuée ardente : phénomène où cendres brûlantes, fragments de roche et gaz dévalent une pente à grande vitesse, unis en un même flux. Considérée comme le risque volcanique le plus dangereux.
- Niveau d'alerte volcanique : indicateur en 5 niveaux publié par l'agence météorologique japonaise pour chaque volcan, associé à des consignes de comportement.
LycéeVérifions par le calcul : à 5 km de profondeur, l'équivalent de combien de bouteilles de soda ?
Le texte principal indique que « la baisse de pression crée des bulles ». Mais quelle pression règne réellement sous terre ? C'est calculable.
Pression ＝ densité × gravité × profondeur
| Pression | en Pa (pascal) |
| Densité | poids de la roche superposée. Environ 2700 kg/m³ |
| Gravité | 9,8 m/s² |
| Profondeur | en m |
C'est le même principe que la douleur aux oreilles au fond d'une piscine. Le poids de ce qui se trouve au-dessus devient directement de la pression. Sous terre, c'est de la roche et non de l'eau qui pèse dessus, ce qui change l'ordre de grandeur.
Et la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression (loi de Henry). Si la pression est 1300 fois plus forte, la quantité dissoute l'est aussi. Le résultat de ① détermine donc directement la quantité de gaz que le magma peut garder dissoute.
| Profondeur | 5 km ＝ 5000 m |
| Calcul | 2700 × 9,8 × 5000 ＝ 132 300 000 Pa |
| Pression atmosphérique | environ 101 300 Pa |
| Rapport à la pression atmosphérique | 132 300 000 ÷ 101 300 ≒ 1306 fois |
À 5 km de profondeur, la pression vaut environ 1300 fois la pression atmosphérique. Une bouteille de soda contient, dit-on, une pression de 2 à 3 atmosphères environ. Cela représente donc une pression environ 500 fois plus forte.
C'est pourquoi le gaz peut rester dissous. Si on ne voit pas de bulles, ce n'est pas qu'il n'y a pas de gaz, c'est qu'il est comprimé.
Quand la pression baisse, le volume d'un gaz augmente en proportion inverse. Si la pression tombe à 1/1300, le volume est multiplié par 1300.
| Gaz devenu bulles sous terre | 0,1 L, disons |
| Une fois remonté en surface | 0,1 × 1300 ＝ 130 L |
L'équivalent d'un demi-verre de gaz devient l'équivalent d'une baignoire. Et cela continue à gonfler tout au long de la remontée.
C'est le contenu du « cercle qui ne s'arrête plus » mentionné plus haut. Ça gonfle → ça s'allège → ça monte plus vite → la pression baisse encore plus → ça gonfle encore plus. Rien, à aucun moment, ne vient arrêter le processus.
※ En réalité, la température varie aussi, et la dissolution s'écarte d'une simple proportionnalité. Ce calcul sert à saisir l'ordre de grandeur.
Le texte principal affirme « impossible d'y échapper ». Cela aussi se vérifie par les chiffres.
| Vitesse d'une nuée ardente | parfois estimée à 100 km/h |
| Converti en vitesse par seconde | 100 ÷ 3,6 ≒ 28 m/s |
| Vitesse maximale d'un humain en course | environ 8 m/s (100 m en 12,5 s) |
| Rapport des vitesses | 28 ÷ 8 ＝ 3,5 fois |
Elle vous rattrape 3,5 fois plus vite qu'un sprint à pleine vitesse. Même aperçue à 1 km de distance, elle vous atteint en 1000 ÷ 28 ≒ 36 secondes. Pendant ce temps, on ne peut parcourir que 8 × 36 ＝ 288 m environ.
Selon le calcul, l'option « fuir en la voyant arriver » n'existe pas. C'est pourquoi l'évacuation doit se faire non pas « une fois que ça arrive », mais dès que le niveau d'alerte volcanique est relevé. Ce sont les chiffres qui dictent l'ordre des actions à prendre.
LycéeLa quantité dissoute est déterminée par la pression
La quantité de gaz qui se dissout dans un liquide est proportionnelle à la force exercée par ce gaz. C'est la loi de Henry. Le fait que des bulles apparaissent quand on ouvre une bouteille de soda en est une illustration directe.
| Eau contenue dans le magma | environ quelques pour cent (selon le type) |
| Magma fluide (peu de dioxyde de silicium) | environ 45-52 % / éruption effusive (coulées de lave) |
| Magma intermédiaire | environ 52-63 % / fréquent au Japon |
| Magma visqueux (beaucoup de dioxyde de silicium) | 63 % ou plus / éruption explosive |
| Écart de viscosité | des ordres de grandeur différents selon le type (jusqu'à plusieurs dizaines de milliers de fois) |
※ Les valeurs sont des repères indicatifs. La viscosité varie aussi avec la température et la teneur en eau.
Ce qui est intéressant, c'est que plus il y a d'eau, plus le magma est fluide. Mais quand l'eau s'échappe pendant la remontée, la viscosité augmente brusquement. Un magma en train de perdre son gaz a tendance, paradoxalement, à se boucher plus facilement.
Lycée+Pourquoi le dioxyde de silicium rend-il visqueux ?
Dans le magma, l'unité de base est un tétraèdre formé de silicium et d'oxygène liés. Quand la proportion de dioxyde de silicium est élevée, ces tétraèdres se relient entre eux en partageant des atomes d'oxygène, formant de longs réseaux.
Plus ce réseau est développé, plus il faut rompre de liaisons pour permettre l'écoulement, et plus la résistance augmente. C'est ce qui constitue la « viscosité ». L'ajout d'eau rompt ce réseau, ce qui fait baisser la viscosité.
Et l'instant décisif d'une éruption, c'est la fragmentation. Quand la proportion volumique de bulles atteint environ 70 à 80 %, les fines parois entre les bulles ne tiennent plus : ce qui était un liquide continu bascule soudain en un flux gazeux parsemé de fragments. C'est au moment de ce basculement que l'éruption devient explosive.
UniversitéPourquoi les nuées ardentes sont-elles aussi rapides ?
Une nuée ardente est essentiellement un mélange de particules brûlantes et de gaz. Les particules ne se heurtent pas directement entre elles : le gaz brûlant qui les entoure les maintient en suspension, et l'ensemble s'écoule ainsi. Le frottement devient extrêmement faible, si bien qu'un fluide dense dévale la pente presque sans résistance.
C'est pourquoi elle ne se contente pas de remplir les vallées : son élan lui permet parfois de franchir des crêtes. On ne peut donc pas dire « à l'écart d'une vallée, on est en sécurité ». Des calculs numériques combinant volume émis et relief servent à estimer la zone d'atteinte, mais une part d'incertitude demeure.
La conception même des réservoirs magmatiques a aussi évolué. On imaginait autrefois « une chambre souterraine remplie de magma liquide », mais l'image qui prévaut désormais est celle d'un état chargé en cristaux, semblable à une bouillie, qui persiste longtemps sous cette forme et se fluidifie brusquement juste avant l'éruption, sous l'effet d'un changement de température ou de pression.
RechercheLa prédiction reste encore insuffisante
- On ne peut pas encore prédire « quand » ni « avec quelle ampleur ». On sait détecter des signes précurseurs : séismes volcaniques, gonflement de l'édifice, changement de composition des gaz. Mais une éruption peut ne pas suivre ces signes, et prédire l'ampleur reste encore plus difficile. On peut surveiller, mais pas prévoir : c'est l'état actuel des choses.
- Les éruptions phréatiques restent particulièrement difficiles à prévoir. Pour ce type d'éruption, où ce n'est pas le magma lui-même qui remonte mais de l'eau souterraine soudainement chauffée, les précurseurs sont ténus et peuvent rester invisibles jusqu'au dernier moment. L'éruption du mont Ontake en 2014 a illustré cette difficulté. Survenue à une heure de forte fréquentation, elle a fait de nombreuses victimes. Depuis, la surveillance a été renforcée et la transmission d'information aux randonneurs améliorée.
- Les perspectives concernant les éruptions cataclysmiques (caldeiras géantes) sont encore plus incertaines. Ce sont des événements très rares mais dont les conséquences, s'ils surviennent, s'étendent sur une large zone. Des recherches tentent d'estimer leur fréquence à partir des dépôts passés, mais on n'en est pas au stade où l'on pourrait dire quand surviendra le prochain.
- L'état réel des réservoirs magmatiques reste aussi difficile à observer. On les estime à partir des ondes sismiques et des déformations du sol, mais il n'existe aucun moyen d'observer directement cet état « en bouillie », situé entre quelques kilomètres et une dizaine de kilomètres de profondeur : les modèles comportent donc une marge d'incertitude.
Tant que la prédiction reste impossible, se préparer et suivre les consignes dès qu'une alerte est émise demeure la mesure la plus fiable.
Lien avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / Chapitre | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Volcans et roches magmatiques / Dissolution des gaz | Viscosité du magma, type d'éruption, comparaison avec le soda |
| Lycée | Chimie de base・Solubilité des gaz (loi de Henry) | Une baisse de pression empêche le gaz de rester dissous |
| Lycée | Sciences de la Terre de base・Roches magmatiques et activité volcanique | Proportion de dioxyde de silicium et style d'éruption |
| Lycée+ | Sciences de la Terre・Propriétés physiques du magma / Chimie・Silicates | Structure en réseau et viscosité, conditions de la fragmentation |
| Université | Volcanologie・Géophysique | Écoulement des nuées ardentes, image des réservoirs magmatiques |
| Recherche | Volcanologie (non résolu) | Prédiction des éruptions, éruptions phréatiques, éruptions cataclysmiques |
| ― | Éducation à la prévention des risques | Niveau d'alerte volcanique, abris anti-éruption, gestion des chutes de cendres |
- Documents de l'agence météorologique japonaise (気象庁) sur les niveaux d'alerte volcanique et l'activité volcanique, ainsi que la surveillance des volcans actifs.
- Sparks, R. S. J. et al., Volcanic Plumes, et autres manuels de volcanologie associés (physique du dégazage, de la fragmentation et des panaches).
- Cashman, K. V., Sparks, R. S. J. & Blundy, J. D., Vertically extensive and unstable magmatic systems, Science 355, 2017 (mise à jour de l'image des réservoirs magmatiques).
- Plans d'évacuation des zones à risque volcanique et informations destinées aux randonneurs, publiés par le Cabinet Office japonais (内閣府) et les collectivités locales.
- Informations de la Société volcanologique du Japon (日本火山学会) sur la gestion des chutes de cendres.
※ Les valeurs de température, de vitesse et de composition varient fortement selon le volcan et l'éruption. Cet article présente des ordres de grandeur généralement cités.
※ Cet article propose une vulgarisation scientifique à usage général. Pour toute décision liée à un volcan, suivez le niveau d'alerte volcanique publié par l'agence météorologique japonaise ainsi que les consignes des collectivités locales, des pompiers et de la police. Avant de partir en randonnée, vérifiez les dernières informations volcaniques et déposez une déclaration d'itinéraire. Les valeurs indiquées sont des repères destinés à faciliter la compréhension des mécanismes.