Un volcan est un relief terrestre, sous-marin ou extra-terrestre formé par l'éjection et l'empilement de matériaux issus de la montée d'un magma sous forme de lave et de tephras tels que les cendres. Ce magma provient de la fusion partielle du manteau et exceptionnellement de la croûte terrestre. L'accumulation peut atteindre des milliers de mètres d'épaisseur formant ainsi des montagnes ou des îles. Selon la nature des matériaux, le type d'éruption, leur fréquence et l'orogenèse, les volcans prennent des formes variées mais en général ayant l'aspect d'une montagne conique, surmontée par un cratère ou une caldeira[1].
Le lieu principal de sortie des matériaux lors d'une éruption se situe dans la plupart des cas au sommet du volcan, là où débouche la cheminée volcanique, mais il arrive que des ouvertures latérales apparaissent sur les flancs ou aux pieds du volcan.
Deux grands types de volcans existent sur Terre :
- les « volcans rouges » aux éruptions effusives relativement calmes et émettant des laves fluides sous la forme de coulées. Ce sont les volcans de « point chaud » et les volcans sous-marins des dorsales océaniques ;
- les « volcans gris » aux éruptions explosives et émettant des laves pâteuses et des cendres sous la forme de nuées ardentes (ou coulées pyroclastiques) et de panaches volcaniques. Ils sont principalement associés au phénomène de subduction (par exemple les volcans de la « ceinture de feu du Pacifique »).
On compte environ 1 500 volcans terrestres actifs dont une soixantaine en éruption par an[2]. Les volcans sous-marins sont bien plus nombreux.
Le volcanisme est l'ensemble des phénomènes associés aux volcans et à la présence de magma. La volcanologie (ou vulcanologie) est la science de l'étude, de l'observation et de la prévention des risques des volcans.
Le mot « volcan » tire son origine de Vulcano, une des Îles Éoliennes nommée en l'honneur de Vulcain, le dieu romain du feu
Description
Structures et reliefs
Un volcan est formé de différentes structures que l'on retrouve en général chez chacun d'eux :
- une chambre magmatique alimentée par du magma venant du manteau et jouant le rôle de réservoir et de lieu de différentiation du magma. Lorsque celle-ci se vide à la suite d'une éruption, le volcan peut s'affaisser et donner naissance à une caldeira. Les chambres magmatiques se trouvent entre dix et cinquante kilomètres de profondeur dans la lithosphère[4] ;
- une cheminée principale qui est le lieu de transit privilégié du magma de la chambre magmatique vers la surface.
- un cratère sommital où débouche la cheminée principale ;
- une ou plusieurs cheminées secondaires partant de la chambre magmatique ou de la cheminée principale et débouchant en général sur les flancs du volcan, parfois à sa base. Elles peuvent donner naissance à des petits cônes secondaires ;
- des fissures latérales qui sont des fractures longitudinales dans le flanc du volcan provoquées par son gonflement ou son dégonflement. Elles peuvent permettre l'émission de lave sous la forme d'une éruption fissurale.
Forme des volcans
Suivant le type de lave qu'ils émettent et le type d'éruption, les volcans peuvent prendre différentes formes :
- volcan bouclier : le diamètre est très supérieur à la hauteur à cause de la fluidité de leurs laves qui peuvent parcourir des kilomètres avant de s'arrêter. Le Mauna Kea, l'Erta Ale ou le Piton de la Fournaise en sont des exemples[5] ;
- stratovolcan : le diamètre est plus équilibré par rapport à la hauteur à cause de la plus grande viscosité de leurs laves. Il s'agit des volcans aux éruptions explosives comme le Vésuve, le Mont Fuji, le Merapi ou le Mont Saint Helens[6] ;
- volcan faille : il s'agit en général d'une ouverture linéaire dans la croûte terrestre ou océanique par laquelle s'échappe de la lave fluide. Les volcans des dorsales se présentent sous forme de faille tout comme le Laki ou le Krafla[7].
Matériaux ignés
Magma
Article détaillé : Magma.Le magma est le matériau de consistance fluide à visqueuse, sous pression, contenant des gaz, non cristallisé qui s'est formé à partir de la fusion partielle ou totale du manteau (anatexie) au niveau d'un point de chaleur (point chaud), de décompression (dorsale) et/ou d'un apport d'eau (fosse de subduction). Généralement, il remonte vers la surface et se stocke dans la lithosphère en formant une chambre magmatique. Dans cette chambre, il peut subir une cristallisation totale ou partielle et/ou un dégazage qui commence à le transformer en lave. Si la pression devient suffisante pour qu'il soit éjecté à la surface, il remonte le long d'une cheminée volcanique et est émis sous forme de lave, c’est-à-dire totalement ou partiellement dégazé[8].
Tephras et laves
Articles détaillés : Tephra, Lave et Roche volcanique.
Selon que le magma provienne de la fusion du manteau ou d'une partie de la lithosphère, il n'aura ni la même composition minérale, ni la même teneur en eau ou en gaz, ni la même température. De plus, selon le type de terrain qu'il traverse pour remonter à la surface et la durée de son séjour dans la chambre magmatique, il va soit se charger soit se décharger en minéraux, en eau et/ou en gaz et va plus ou moins se refroidir. Pour toutes ces raisons, les tephras et les laves ne sont jamais exactement les mêmes d'un volcan à un autre, ni même parfois d'une éruption à une autre sur le même volcan.
Les matériaux émis par les volcans sont généralement des roches composées de microlites noyés dans un verre magmatique. Dans le basalte, les minéraux les plus abondants sont la silice, les pyroxènes et les feldspaths alors que l'andésite est plus riche en silice et en feldspaths. La structure de la roche varie également : si les cristaux sont fréquemment petits et peu nombreux dans les basaltes, ils sont en revanche généralement plus grands et plus nombreux dans les andésites, signe que le magma est resté plus longtemps dans la chambre magmatique[9]. 95 % des matériaux émis par les volcans sont des basaltes ou des andésites.
Le matériau le plus connu émis par les volcans est la lave sous forme de coulées. De type basaltique (provenant de la fusion du manteau dans le cas d'un volcanisme de point chaud, de dorsale ou de rift[10]) ou andésitique (provenant de la fusion de la lithosphère dans le cas d'un volcanisme de subduction[11]), plus rarement de type carbonatique[12], elles sont formées de laves fluides qui s'écoulent le long des flancs du volcan. La température de la lave est comprise entre 700 et 1 200 °C[13] et les coulées peuvent atteindre des dizaines de kilomètres de long, une vitesse de cinquante kilomètres par heure et progresser dans des tunnels de lave. Elles peuvent avoir un aspect lisse et satiné (« pahoehoe » ou « lave cordée ») ou un aspect rugueux et coupant (« aa »). Les coulées de ces laves, faisant parfois plusieurs mètres d'épaisseur, peuvent mettre des dizaines d'années à se refroidir totalement[14]. Dans certains cas exceptionnels, de la lave en fusion peut remplir le cratère principal ou un cratère secondaire et former un lac de lave. La survie des lacs de lave résulte d'un équilibre entre apport de lave venant de la chambre magmatique et débordement à l'extérieur du cratère associé à un brassage permanent par des remontées de gaz volcanique afin de limiter le durcissement de la lave. Ces lacs de lave ne naissent que lors d'éruptions hawaïennes, la grande fluidité de la lave permettant la formation et le maintient de ces phénomènes. Le Kilauea à Hawaii et le Piton de la Fournaise à la Réunion sont deux volcans qui possèdent des lacs de lave lors de certaines de leurs éruptions. L'Erta Ale en Éthiopie est le seul volcan au monde à posséder un lac de lave de manière quasi permanente. Lors de certaines éruptions, le lac de lave se vide ou au contraire son niveau remonte jusqu'à déborder et former des coulées sur les pentes du volcan[15].
Le plus souvent, les matériaux volcaniques sont composés de tephras (ou éjectas) : cendres, lapilli, scories, pierres ponces, bombes volcaniques, blocs rocheux ou basaltiques, obsidienne, etc. Il s'agit de magma et de morceaux arrachés du volcan qui sont pulvérisés et projetés parfois jusqu'à des dizaines de kilomètres de hauteur dans l'atmosphère. Les plus petits étant les cendres, il leur arrive de faire le tour de la Terre, portées par les vents dominants. Les bombes volcaniques, éjectas les plus gros, peuvent avoir la taille d'une maison et retombent en général à proximité du volcan. Lorsque les bombes volcaniques sont éjectées alors qu'elles sont encore en fusion, elles peuvent prendre une forme en fuseau lors de leur trajet dans l'atmosphère, en bouse de vache lors de leur impact au sol ou en croûte de pain en présence d'eau[16]. Les lapilli, qui ressemblent à de petits cailloux, peuvent s'accumuler en épaisses couches et former ainsi la pouzzolane. Les pierres ponces, véritable mousse de lave, sont si légères et contiennent tellement d'air qu'elles peuvent flotter sur l'eau. Enfin quand de fines gouttes de laves sont éjectées et portées par les vents, elles peuvent s'étirer en de longs filaments appelés « cheveux de Pélé ».
Gaz volcaniques
Les magmas contiennent des gaz dissous. Le dégazage des magmas est un phénomène déterminant dans le déclenchement d'une éruption, et dans le type d'éruption. Le dégazage fait monter le magma (analogie avec une bouteille de champagne), ce qui donne le caractère explosif et violent d'une éruption.
Les gaz sont principalement[17] :
- la vapeur d'eau, H2O (50 à 90 %) ;
- le CO2 (5 à 25 %) ;
- le SO2 (3 à 25 %).
Puis viennent d'autres éléments volatils : CO, HCl, H2, H2S. Le dégazage du magma en profondeur, peut se traduire à la surface par des fumerolles, autour des desquelles des cristaux de soufre peuvent se former. Ce dégazage volcanique du manteau terrestre est à l'origine de l'atmosphère primitive de la Terre, qui devait être très riche en CO2.
Fréquence des éruptions
La naissance d'un volcan correspond à sa première éruption volcanique qui le fait sortir de la lithosphère. La naissance d'un nouveau volcan est un phénomène relativement rare mais qui a pu être observée en 1943 avec le Paricutín : une fracture laissant s'échapper des fumées et de la lave dans un champ a donné naissance à un volcan de 460 mètres de haut en neuf mois. En 1963, le volcan sous-marin de Surtsey émergea au sud de l'Islande formant ainsi une nouvelle île et un nouveau volcan terrestre.
Un volcan est dit endormi lorsqu'il n'est plus entré en éruption durant plusieurs centaines d'années et dit éteint lorsque sa dernière éruption remonte à au moins 50 000 ans et qu'il est soumis à l'érosion.
De manière générale, les volcans subissent plusieurs éruptions au cours de leur vie. Mais leur fréquence est très variable selon le volcan : certains ne connaissent qu'une éruption en quelques siècles (Ponta do Pico, aux Açores), d'autres sont en éruption permanente comme le Stromboli ou le Merapi.
Il arrive que des volcans ne se forment qu'en une seule éruption, puis s'endorment ou s'éteignent pendant des dizaines ou des centaines de milliers d'années. Il s'agit de volcans monogéniques. Les volcans de la Chaîne des Puys dans le Massif central se sont formés entre 11500 av. J.-C. et 5000 av. J.-C. au cours d'une seule éruption pour chaque édifice volcanique et n'ont plus jamais montré de signe d'activité.
La fréquence des éruptions permet d'évaluer l'aléa, c'est-à-dire la probabilité qu'une région peut subir la violence d'une éruption. Cet aléa, combiné avec le type de manifestation volcanique et la présence de populations et sa vulnérabilité, permet d'évaluer le risque volcanique.
Origine du volcanisme
D'après la théorie de la tectonique des plaques, le volcanisme est intimement lié aux mouvements des plaques tectoniques. En effet, c'est en général à la frontière entre deux plaques continentale ou océanique que les conditions sont réunies pour la formation de volcans.
Volcanisme de divergence
Dans le rift des dorsales, l'écartement de deux plaques tectoniques amincit la lithosphère, et il y a une remontée de roches du manteau. Celles-ci, déjà très chaudes (1 200 °C), se mettent à fondre partiellement, en raison de la décompression. Cela donne du magma, qui remonte par les failles normales. Entre les deux bords du rift, on observe des traces d'activités volcaniques importantes telle que des « pillow lava » ou « lave en coussin », qui se forment par émissions de lave fluide dans une eau froide.
Ces roches volcaniques constituent alors une bonne partie de la jeune croûte océanique en formation.
Lorsque le rift est continental, comme c'est le cas en Afrique de l'Est (Vallée du grand rift), des volcans effusifs voient alors le jour comme l'Ardoukoba ou l'Erta Ale.
Volcanisme de subduction
Lorsque deux plaques tectoniques se chevauchent, la plaque océanique, glissant sous l'autre plaque océanique ou continentale, plonge dans le manteau et subit des transformations minéralogiques. L'eau contenue dans la lithosphère plongeante s'en échappe alors et vient hydrater le manteau, provoquant sa fusion partielle en abaissant son point de fusion. Ce magma remonte et traverse la plaque chevauchante, créant des volcans. Si la plaque chevauchante est une plaque océanique, un arc insulaire volcanique se formera lorsque les volcans donneront naissance à des îles. C'est le cas des Aléoutiennes, du Japon ou des Antilles. Si la plaque chevauchante est une plaque continentale, les volcans se situerons sur le continent, en général dans une cordillère. C'est le cas des volcans des Andes ou des Rocheuses. Ce type de volcan, à la lave andésitique et visqueuse, sont en général des volcans gris, explosifs et dangereux. La « ceinture de feu du Pacifique » est formée en quasi majorité de ce type de volcan.
Volcanisme de point chaud
Il arrive parfois que des volcans naissent loin de toute limite de plaque lithosphérique. Il s'agit en général de volcans de point chaud. Les points chauds sont des panaches de magma en fusion venant des profondeurs du manteau et perçant les plaques lithosphériques. Étant fixes et la plaque lithosphérique se déplaçant sur le manteau, des volcans se créent successivement et s'alignent alors, le plus récent étant le plus actif car à l'aplomb du point chaud. Lorsque le point chaud débouche sous un océan, il va donner naissance à un chapelet d'îles alignées comme c'est le cas pour l'archipel d'Hawaii ou des Mascareignes. Si le point chaud débouche sous un continent, il va alors donner naissance à une série de volcans alignés. C'est le cas du Mont Cameroun et de ses voisins. Cas exceptionnel, il arrive qu'un point chaud débouche sous une limite de plaque lithosphérique. Dans le cas de l'Islande, l'effet d'un point chaud se combine à celui de la dorsale médio-atlantique, donnant ainsi naissance à un immense empilement de lave permettant l'émersion de la dorsale. Les Açores ou les Galápagos sont d'autres exemples de points chauds débouchant sous une limite de plaque lithosphérique, en l'occurrence des dorsales[18].
Déroulement classique d'une éruption
Une éruption volcanique survient lorsque la chambre magmatique sous le volcan est mise sous pression avec l'arrivée de magma venant du manteau. Elle peut alors éjecter plus ou moins de gaz qu'elle contenait selon son remplissage en magma. La mise sous pression est accompagnée d'un gonflement du volcan et de séismes très superficiels localisés sous le volcan, signe que la chambre magmatique se déforme. Le magma remonte généralement par la cheminée principale, et subit en même temps un dégazage, ce qui provoque un trémor, c'est-à-dire une vibration constante et très légère du sol. Ceci est du à des petits séismes dont les foyers sont concentrés le long de la cheminée.
L'éruption débute au moment où la lave atteint l'air libre[19]. Selon le type de magma, elle s'écoule sur les flancs du volcan ou s'accumule au lieu d'émission, formant un bouchon de lave qui peut donner des nuées ardentes et/ou des panaches volcaniques lorsque celui-ci explose. Selon la puissance de l'éruption, la morphologie du terrain, la proximité de la mer, etc il peut survenir d'autres phénomènes accompagnant l'éruption : séismes importants, glissements de terrain, tsunamis,...
La présence éventuelle d'eau sous forme solide (calotte glaciaire, glacier, neige) ou liquide (lac de cratère, nappe phréatique, rivière, mer ou océan, etc) va provoquer au contact des matériaux ignés (magma, lave ou tephras) leur explosion ou augmenter leur pouvoir explosif. En fragmentant les matériaux et en augmentant brutalement de volume en se transformant en vapeur, l'eau agit comme un aggravateur du pouvoir explosif d'une éruption volcanique qui sera alors qualifiée de phréatique ou de magmato-phréatique. La fonte de glace ou de neige par la chaleur du magma peut également provoquer des lahars lorsque l'eau entraîne des tephras[20] ou des jökulhlaups comme ce fut le cas pour le Grímsvötn en 1996.
L'éruption se termine lorsque la lave n'est plus émise. Les coulées de lave, cessant d'être alimentées, s'immobilisent et commencent à se refroidir et les cendres, refroidies dans l'atmosphère, retombent à la surface du sol. Mais les changements dans la nature des terrains par le recouvrement des sols par la lave et les tephras parfois sur des dizaines de mètres d'épaisseur peuvent créer des phénomènes destructeurs et meurtriers. Ainsi les cendres tombées sur des cultures les détruisent et stérilisent la terre pour quelques mois à quelques années, une coulée de lave bloquant une vallée peut créer un lac qui noiera des régions habitées ou cultivées, des pluies tombant sur les cendres peuvent les emporter dans les rivières et créer des lahars,...
Une éruption volcanique peut durer de quelques heures à plusieurs années et éjecter des volumes de magma de plusieurs centaines de kilomètres cubes. La durée moyenne d'une éruption est d'un mois et demi mais de nombreuses ne durent qu'une journée. Le record absolu est celui du Stromboli qui est quasiment en éruption depuis environ 2 400 ans[21].
Classification des volcans
Lors des débuts de la volcanologie, l'observation de quelques volcans a été à l'origine de la création de catégories basées sur l'aspect des éruptions et le type de lave émise. Chaque type est nommé selon le volcan référent. Le grand défaut de cette classification est d'être assez subjectif et de mal tenir compte des changements de type d'éruption d'un volcan.
Le terme de « cataclysmique » peut être rajouté lorsque la puissance de l'éruption entraîne de lourds dégâts environnementaux et/ou humains comme ce fut le cas pour le Santorin vers 1600 av. J.-C. qui anéantit la civilisation minoenne, le Vésuve en 79 qui détruisit Pompéi, le Krakatoa en 1883 qui engendra un tsunami de quarante mètres, le Mont Saint Helens en 1980 qui rasa des hectares de forêt,...
Afin d'introduire une notion de comparaison entre les différentes éruptions volcaniques, l'indice d'explosivité volcanique (ou échelle VEI) fut mis au point par deux volcanologues de l'Université d'Hawaii en 1982[22]. L'échelle, ouverte et partant de zéro, est définie selon le volume des matériaux éjectés, la hauteur du nuage d'éruption, et des observations qualitatives[23].
Il existe deux grands types d'éruptions volcaniques dépendant du type de magma émis : effusives associées aux « volcans rouges » et explosives associées aux « volcans gris »[24]. L'éruption surtseyenne est une éruption phréato-magmatique qui peut survenir sur n'importe quel type de volcan du moment qu'il est recouvert d'eau (mer, lac, etc.).
Éruptions effusives
Les éruptions effusives émettent des laves basaltiques, pauvres en silice et donc très fluides et libérant leurs gaz facilement. Les éruptions sont relativement calmes, sans grandes explosions et produisant de grandes coulées de lave. Ces « volcans rouges » sont ceux des points chauds comme ceux d'Hawaii ou le Piton de la Fournaise ou encore représentés par l'Etna. Le seul danger pour les populations sont les coulées de lave qui peuvent avancer à plusieurs dizaines de kilomètres par heure. Mais en général, les populations ont le temps d'évacuer tranquillement en emportant quelques affaires.
Éruption hawaïenne
Elle est caractérisée par des laves très fluides, basaltiques et pauvres en silice ce qui permet un écoulement le long des flancs du volcan parfois sur des dizaines de kilomètres. Le dégazage de la lave est très aisé et son éjection peut se faire soit sous la forme de fontaines de laves de plusieurs centaines de mètres de hauteur et au débit régulier, soit sous la forme d'un lac de lave plus ou moins temporaire prenant place dans un cratère.
Peu dangereuses, ces éruptions peuvent néanmoins occasionner d'importants dégâts lorsque des infrastructures humaines sont touchées par les coulées. Le risque humain est en revanche quasi nul car il n'y a aucun risque d'explosion et la lave laisse le temps d'évacuer.
Les volcans ayant des éruptions de type hawaïen sont le Mauna Kea, le Mauna Loa, le Piton de la Fournaise, le Nyiragongo, l'Erta Ale,...
L'indice d'explosivité volcanique de ce type d'éruption va de 0 à 1.
Éruption strombolienne
Style intermédiaire entre les types hawaïen et vulcanien, le type strombolien émet des laves moyennement fluides sous forme de coulées et des tephras (bombes volcaniques, scories, etc) projetés par des explosions fréquentes. Un nuage de cendre peut s'élever à quelques centaines de mètres de hauteur. La dangerosité dépend de la proximité des implantations humaines.
Les volcans ayant des éruptions de type strombolien sont le Stromboli, l'Etna (bien qu'ayant parfois des éruptions vulcaniennes),...
L'indice d'explosivité volcanique de ce type d'éruption va de 1 à 2.
Éruptions explosives
Les éruptions explosives émettent quant à elles des laves andésitiques, riches en silice et donc très visqueuses et libérant leur gaz difficilement. Ces éruptions ne forment pas de coulée de lave mais s'accompagnent plutôt d'explosions produisant de grandes quantités de cendres donnant naissance à des nuées ardentes et des panaches volcaniques. Environ 80% des éruptions volcaniques se déroulent sur ce type de volcans[25]. Très dangereux car imprévisibles, ces types d'éruptions ne laissent parfois pas le temps d'évacuer les populations menacées par les gaz et les cendres brûlants. Les volcans les plus représentatifs sont les « volcans gris » de la « ceinture de feu du Pacifique » : Pinatubo, Krakatoa, Mayon, Merapi,...