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volcan

(italien Vulcano, du latin Vulcanus, dieu du Feu)

Kilauea
Kilauea

Relief, en général de forme conique, formé par les produits magmatiques qui atteignent la surface du globe, aérienne ou sous-marine.

GÉOLOGIE

Un volcan est un point de sortie par lequel de la roche fondue appelée magma arrive en surface. L'accumulation des produits émis crée un édifice, parfois une véritable montagne. On a répertorié 10 000 volcans sur les continents (et encore plus sous les océans), dont plus de 1 500 ont fait une éruption au cours des 10 000 dernières années. En moyenne, on dénombre 40 éruptions par an sur les continents, qui durent de l'ordre de une à quelques semaines, mais parfois un jour ou plusieurs années.

1. Les régions volcaniques

La lithosphère terrestre est fragmentée en plaques, mobiles les unes par rapport aux autres. Les volcans se situent de façon très privilégiée aux frontières de plaques (volcans interplaques) et beaucoup plus rarement à l'intérieur d'une plaque (volcanisme intraplaque).

→ tectonique.

1.1. Les zones de rift

La cassure d'une plaque se traduit par la formation d'un fossé d'effondrement appelé rift. Le rift est-africain, occupé par de grands lacs (Kivu, Tanganyika, Malawi) est bordé de volcans (Nyiragongo, mont Kenya, Kilimandjaro) et se termine par la région volcanique des Afars (→ Éthiopie).

Ensuite, en plusieurs dizaines de millions d'années, par écartement, s'ouvre un océan (par exemple, d'abord la mer Rouge, puis l'océan Atlantique).

1.2. La dorsale médio-océanique

Une chaîne volcanique sous-marine (dorsale médio-océanique) parcourt l'ensemble des océans de la planète, sur une distance totale de 60 000 km. Elle mesure en moyenne 1 500 m de hauteur. Mais, comme elle repose sur des fonds à − 4 000 m, elle culmine en fait à − 2 500 m. Exceptionnellement, elle émerge en îles (Islande). Au niveau de la dorsale, l'écartement est compensé par l'émission de magma, qui contribue à l'édification des plaques. Ces volcans, les plus nombreux mais les moins connus, ne présentent quasiment aucun danger pour l'homme.

1.3. Les zones de subduction

Lors d'un rapprochement, une plaque peut plonger sous une autre, en un phénomène de subduction. Cela donne naissance à de très nombreux volcans, actifs et dangereux, tels ceux qui bordent l'océan Pacifique (« Cercle de feu » ou « Ceinture de feu ») et ceux des arcs insulaires (Caraïbes, Indonésie et, en Méditerranée, arcs tyrrhénien et égéen). Par contre, lorsque deux plaques entrent en collision, la compression interdit le volcanisme, mais crée une chaîne de montagnes, siège de nombreux séismes (Alpes, Himalaya).

1.4. Les volcans au sein des plaques

Enfin, quelques volcans occupent une position particulière au sein d'une plaque continentale (mont Cameroun, Yellowstone [États-Unis]) ou océanique (nombreuses îles : Hawaii, La Réunion, Polynésie française, Terres australes) : ils se situent à l'aplomb de zones du manteau profond à température particulièrement élevée, appelées points chauds. Ceux-ci prennent naissance probablement à la limite du noyau et du manteau, à 2 900 km de profondeur. Des instabilités thermiques s'y développent et forment des « panaches » (→ convection), qui montent à la vitesse de quelques centimètres à un mètre par an. Puis, près de la surface, du magma se forme par fusion du manteau, voire de la croûte.

En 2013, les études menées sur le massif sous-marin Shatsky Rise (à 1 500 km à l'est du Japon), un relief auparavant considéré comme le résultat de différentes éruptions volcaniques, ont montré qu'il s'agit d'un seul et même volcan. Renommé massif Tamu, ce volcan bouclier éteint depuis 140 millions d'années est le plus grand volcan observé sur Terre, avec une superficie de 310 000 km2.

2. Le magma, de sa formation à son émission

La Terre libère continuellement une grande quantité de chaleur. Celle-ci a deux origines : la chaleur originelle, liée à la formation de la planète, il y a 4,55 milliards d'années, qui continue à se dissiper, et la chaleur provenant de la désintégration continuelle d'éléments radioactifs (uranium, thorium, potassium) contenus dans la croûte et le manteau terrestres. On estime que la température au centre de la Terre dépasse 5 000 °C, néanmoins le globe reste en grande majorité solide du fait de l'énorme pression. Localement, à une profondeur comprise entre 50 et 400 km, le manteau terrestre (parfois, la croûte) fond partiellement pour des raisons diverses (température anormalement élevée, baisse de pression, rôle des fluides). Le magma produit, liquide et plus léger que l'encaissant solide, monte à la faveur de fractures. Souvent il séjourne plusieurs millénaires ou centaines de millénaires dans une vaste chambre magmatique d'un volume de plusieurs dizaines ou centaines de kilomètres cubes. Puis, soit il cristallise en profondeur, provoquant la formation de roches plutoniques (granite, gabbro), soit il arrive en surface à la faveur d'une éruption volcanique.

→ roche magmatique.

Les magmas terrestres, silicatés, ont le plus souvent une composition de basalte, mais peuvent évoluer, par différenciation dans la chambre magmatique, vers d'autres types plus riches en silice et en matériaux alcalins (andésite, trachyte, rhyolite). Il existe en Tanzanie un volcan exceptionnel, l'Ol Doinyo Lengai, qui produit des laves noires, carbonatées.

3. Les éruptions volcaniques

Les volcans sont le siège d'éruptions variées. Un volcan donné peut faire des éruptions quasiment toujours du même type ou, au contraire, montrer une activité changeante. La forme de l'édifice en dépend directement.

3.1. Types d’éruptions

3.1.1. Les éruptions laviques ou effusives

Les éruptions laviques (ou effusives) libèrent des laves, fluides, le plus souvent à partir de fissures latérales du volcan. Lors des éruptions de type hawaiien, la température atteint 1 200 °C pour les laves de composition basaltique. Exceptionnellement, la lave stagne dans un cratère. On connaît quelques lacs de lave dans le monde, d'une durée de vie allant de quelques mois à quelques dizaines d'années : Kilauea à Hawaii, Erta-Ale en Éthiopie, Nyiragongo au Congo, Erebus dans l'Antarctique. Les volcans résultant d'une activité essentiellement lavique ont des pentes très faibles (de 3 à 4°) mais un diamètre à la base important, de plusieurs dizaines de kilomètres : on parle de volcans boucliers. Les laves sous-marines forment des boules de quelques dizaines de centimètres mimant des oreillers, d'où leur nom de pillow lavas (de l’anglais pillow signifiant oreiller).

3.1.2. Les éruptions explosives

Les éruptions explosives, complètement différentes, libèrent du magma pulvérisé hors du cratère. Les produits émis sont appelés roches pyroclastiques ou tephra. Selon la taille, on distingue les cendres (plus fines que 2 mm), les lapilli (de 2 à 64 mm), les bombes arrondies et les blocs anguleux, plus gros que 64 mm et atteignant parfois plusieurs mètres. Leur aspect aussi est très varié. Les scories se caractérisent par des vacuoles centimétriques, témoins des bulles de gaz piégées dans le magma. Les ponces contiennent une multitude de vacuoles de petite taille, de forme sphérique ou tubulaire, ce qui explique leur légèreté. Les termes descriptifs des tephra indiquent leur taille et leur aspect : cendre ponceuse, bombe scoriacée, etc.

La présence d'eau (nappe phréatique, lac de cratère, fonte de neige ou de glace) accroît le caractère explosif d'une éruption. L'eau, en se transformant en vapeur, augmente considérablement de volume, à l'origine d'une fantastique surpression. On parle alors d'hydrovolcanisme ou de phréatomagmatisme.

Il existe deux grands types d'éruptions explosives : les projections et les nuées ardentes.

Les projections

Dans le cas des projections, des fragments sont projetés en hauteur avant de retomber à des distances plus ou moins importantes.
• Le type strombolien (décrit au Stromboli, en Italie) expulse des bombes encore incandescentes à plusieurs centaines de mètres.
• Le type vulcanien (décrit au Vulcano, également en Italie) émet des cendres jusqu'à plusieurs kilomètres.
• Le type plinien (du nom de Pline l'Ancien et de Pline le Jeune, qui furent témoins de la dramatique éruption du Vésuve en 79 après J.-C.) libère un panache éruptif de cendres et de bombes ponceuses haut de 10 à 50 km.

Les nuées ardentes

Une nuée ardente est une émission brutale, et dirigée, souvent latéralement, d'un nuage de gaz brûlant transportant des blocs en suspension. L'ensemble, à haute température (de 200 à 500 °C), dévale les flancs du volcan à grande vitesse (de 100 à 600 km/h) et peut même remonter à contre-pente, constituant un risque volcanique humain majeur. L'éruption de la montagne Pelée en Martinique, qui fit 28 000 victimes à Saint-Pierre le 8 mai 1902, en est l'illustration dramatique, d'où le nom de type péléen donné à ce type d'éruption. Souvent le phénomène est suivi de la surrection d'un dôme de lave visqueuse riche en silice à 700 °C. Les dépôts d'ignimbrite connus dans le passé résultent d'éruptions de dynamismes voisins mais hypertrophiés.

3.2. Changements de type éruptif

Certains volcans sont le siège d'un seul type d'éruption pendant une longue période. Il peut s'agir, comme à Hawaii (→ Kilauea) ou à la Réunion (→ piton de la Fournaise), de volcans boucliers, aux pentes relativement faibles (quelques degrés) le long desquelles les coulées de lave se succèdent, ou bien de volcans essentiellement explosifs (volcans du pourtour du Pacifique), de forme conique et dont les pentes atteignent 30°.

Beaucoup d'autres volcans, au contraire, changent assez souvent de type éruptif (Etna, Vésuve). L'édifice, constitué alors d'une alternance stratifiée de produits volcaniques de différents types, s'appelle un strato-volcan.

3.3. Volumes des éruptions

Les volumes émis sont de plusieurs centaines de millions de mètres cubes pour les éruptions laviques et de plusieurs kilomètres cubes pour les éruptions explosives. L'éruption du Tambora en Indonésie a libéré, du 5 au 11 avril 1815, 175 km3 de tephra et une énergie estimée à 1,4 × 1020 J, soit 7 millions de fois l'équivalent de la bombe atomique d'Hiroshima. À Yellowstone, dans le Wyoming, aux États-Unis, trois éruptions très importantes ont eu lieu il y a respectivement 2,1 millions d'années, 1,3 million d'années et 630 000 ans. La première a produit 2 500 km3 de débris et la dernière, 1 000 km3, recouvrant de cendres un tiers des États-Unis. L'émission de grandes quantités de magma se traduit par un effondrement à l'origine d'une caldeira, gigantesque cratère de plusieurs kilomètres de diamètre (75 × 45 km pour une profondeur de plusieurs centaines de mètres à Yellowstone).

4. Les risques volcaniques

4.1. Ampleur des risques volcaniques dans le monde

Les volcans actifs situés près des régions habitées sont à l'origine de risques naturels importants. On dénombre 500 millions de personnes concernées dans le monde, en grande partie dans des pays pauvres. Des villes importantes sont directement menacées : Naples par le Vésuve et les champs Phlégréens, Puebla au Mexique par le Popocatépetl, Quito en Équateur par le Guagua Pichincha, Pasto en Colombie par le Galeras, Arequipa au Pérou par le Misti, Yogjakarta en Indonésie par le Merapi, etc.

4.2. Les catastrophes volcaniques majeures

Des catastrophes de grande ampleur ont eu lieu depuis l'Antiquité. Les vestiges de la ville minoenne d'Akrotiri recouverte par des ponces dans l'île de Santorin en mer Égée témoignent d'une éruption cataclysmique au xviie s. avant J.-C. ou au xvie s. avant J.-C. Le Vésuve a détruit Pompéi, Herculanum et Stabies en 79 après J.-C.

Depuis 1700, on dispose de statistiques fiables : 27 éruptions ont fait plus de 1 000 morts chacune et, au total, ont été dénombrées 265 000 victimes. L'éruption la plus meurtrière a été celle du Tambora (dans les Petites îles de la Sonde, en Indonésie) en 1815, qui fit 12 000 victimes directes, auxquelles se sont ajoutées 80 000 de famine à la suite de la mort du bétail et de la destruction des cultures.

Les coulées de lave, les projections de bombes et de cendres et les nuées ardentes sont des sources de risques d'intensité croissante. Il faut ajouter le rôle des gaz, émis quel que soit le type d'éruption. Parfois les gaz volcaniques peuvent à eux seuls causer une catastrophe. Le 21 août 1986, le lac Nyos, qui occupait un cratère au Cameroun, a libéré un nuage létal de gaz carbonique, qui asphyxia 1 746 personnes. Ces quatre types de risques, directement et immédiatement liés à l'activité volcanique, peuvent être qualifiés de primaires.

Trois autres types de risques, secondaires, sont différés dans le temps ou dans l'espace. La conjonction entre des dépôts volcaniques instables sur les flancs d'un volcan et une grande quantité d'eau (moussons, typhons, cyclones en climat intertropical, fonte de neige et de glace au sommet de volcans élevés, rupture des parois d'un lac de cratère) forme des coulées boueuses appelées aussi lahars (terme indonésien). Celles-ci dévalent les pentes et recouvrent les zones situées en contrebas. Ainsi, le 13 novembre 1985, le Nevado del Ruiz en Colombie a libéré des lahars qui ont enseveli 25 000 personnes dans des villes et villages situés à une distance de 60 à 80 km du sommet du volcan. Au Pinatubo, aux Philippines, des lahars se sont produits pendant plusieurs saisons des pluies après l'éruption de 1991. Des instabilités (éboulement de dôme, glissement de terrain) sont fréquentes sur les volcans, montagnes pour lesquelles ce risque est particulièrement élevé.

Enfin des volcans insulaires ou côtiers peuvent déclencher des raz de marée (appelés aussi tsunamis), qui déferlent sur des côtes parfois éloignées. En 1883, le Krakatoa, dans le détroit de la Sonde, en Indonésie, a ainsi entraîné la mort de 36 417 personnes par noyade sur les côtes de Java et de Sumatra distantes d'une quarantaine de kilomètres. Une éruption volcanique ou un séisme au Chili peut provoquer un tsunami à Hawaii, située à 15 000 km. Les vagues se propagent à 1 000 km/h mais elles ralentissent en arrivant sur les côtes où leur amplitude augmente et peut atteindre de 20 à 30 m de haut.

Enfin des risques encore plus indirects, tertiaires, résultent de l'impact d'une éruption volcanique sur des zones aménagées par l'homme (incendie de matériaux stockés inflammables, rupture de canalisations d'eau ou de gaz, de barrages, pollution des eaux, etc.).

Un volcan situé dans une zone désertique mais sur une trajectoire de circulation aéronautique (Alaska) peut constituer une gêne importante pour le trafic aérien.

Les éruptions majeures, qui injectent des particules (cendres, aérosols) dans la stratosphère, modifient le climat à l'échelle mondiale. L'éruption du Pinatubo, aux Philippines, en 1991, a été responsable d'une baisse de température de 0,3 °C dans l'hémisphère Nord, qui s'est amortie sur quatre ans.

→ climatologie.

Les éruptions peuvent avoir également des conséquences économiques majeures. Ainsi, en avril 2010, le volcan Eyjafjöll, situé sous la calotte glaciaire (Eyjafjallajökull) en Islande, a craché un nuage de particules fines, composées de minuscules morceaux de pierre et de verre, combinées à de grandes quantités de vapeur d’eau. Ce nuage menaçant le fonctionnement des réacteurs d’avion, le trafic aérien a été paralysé dans toute l’Europe du Nord pendant plusieurs jours et les pertes économiques se sont élevées à 1,74 milliard d'euros.

Au cours des temps géologiques, des crises volcaniques majeures ont, peut-être, provoqué l'extinction massive de faunes et de flores.

5. Surveillance, prévision et prévention

Surveiller les volcans et essayer d'en prévoir les éruptions pour prévenir d'éventuelles catastrophes constituent le défi majeur de la volcanologie moderne. Aujourd'hui, la centaine de volcans considérés comme très dangereux sont équipés d'un observatoire de surveillance, qui fonctionne en permanence. Des stations de surveillance sont placées sur le volcan pour enregistrer différents paramètres transmis par radio à l'observatoire.

Des sismographes enregistrent des microséismes, appelés tremors (terme anglais signifiant « frémissement »), témoins de la montée du magma à travers les couches profondes en direction de la surface. Ces vibrations du sol précèdent une éruption en général de 24 à 48 heures.

→ sismologie.

Parallèlement des mesures de déformations peuvent mettre en évidence un gonflement de l'édifice (de l'ordre de quelques millimètres sur une distance de plusieurs kilomètres) ou des variations de pentes (inclinométrie ou « tiltmétrie ») de quelques microradians. Les variations de la température ou de la composition chimique des fumerolles sont également des indications précieuses. Il faut aussi mesurer les champs magnétique, gravimétrique et électrique locaux. Les images envoyées par les satellites (par exemple Spot) donnent des informations immédiates et permettent un suivi de la situation.

Il est important de connaître les éruptions anciennes du volcan, qui donnent des informations sur les manifestations futures. Il s'agit en quelque sorte de dresser le « curriculum vitae » du volcan. Dans ce but, les dépôts anciens (coulées de lave pétrifiées, couches de cendres, etc.) sont identifiés et datés.

Il faut aussi informer les populations concernées, leur expliquer quoi faire ou ne pas faire en cas d'éruption : ne pas aller chercher les enfants à l'école car les enseignants s'en occupent, ne pas téléphoner pour ne pas saturer les lignes, écouter les informations à la radio, etc.). Des exercices de simulation doivent être organisés. Lors d'une crise éruptive, la protection civile aide les habitants dans le cadre de plans de type ORSEC. Des équipes de médecine d'urgence sont prêtes à intervenir pour soigner des traumatismes spécifiques : asphyxies, brûlures, œdèmes des yeux et des poumons, obstructions des voies respiratoires et digestives par les cendres, sans oublier un important choc psychologique.

Les dernières éruptions majeures (Pinatubo, Philippines, 1991 ; Soufrière de Montserrat, Antilles, depuis 1995) ont été relativement bien gérées, ce qui a permis de sauver des milliers de personnes.

6. Le volcan utile

Les volcans, bien connus pour leurs aspects nuisibles, apparaissent également utiles ; ils ont d'ailleurs été déifiés dans l'Antiquité (Héphaïstos chez les Grecs et Vulcain chez les Romains). Lors des premiers temps de la Terre, les émissions de gaz volcaniques ont contribué à la formation de l'atmosphère et, par condensation de la vapeur d'eau, à celle des océans, nécessaires à l'apparition de la vie. Les volcans forment des îles et des territoires nouveaux, colonisés par les êtres vivants et souvent par l'homme. Les sols en région volcanique sont particulièrement fertiles.

Depuis le début de la civilisation, les volcans ont joué un grand rôle dans l'habitat pour les régions concernées : abris sous coulées préhistoriques, habitats troglodytes (Cappadoce turque), matériaux de construction (pierre de Volvic), granulats (pouzzolane). Des minerais sont liés à une activité volcanique (gisements d'or, d'argent et de cuivre au Chili, exploitation du soufre au Kawah Idjen, à Java). L'énergie géothermique est puisée dans le sous-sol des régions péri-volcaniques. Les eaux thermales soignent certaines maladies. De nombreux volcans sont aujourd'hui intégrés et protégés dans des parcs nationaux.

Les volcans constituent des témoins de l'activité de la Terre. Leurs dynamismes éruptifs sont de mieux en mieux compris et leur surveillance devient de plus en plus efficace.

7. Les volcans sur les autres planètes du Système solaire

L'exploration du Système solaire a révélé que le volcanisme n'est pas l'apanage de la Terre, mais se rencontre aussi sur les autres planètes telluriques et sur les plus gros satellites naturels. Sur Mercure et sur la Lune, les volcans sont éteints depuis au moins 3 milliards d'années. Mars présente des édifices volcaniques spectaculaires (notamment Olympus Mons, le plus grand volcan du Système solaire, avec 600 km de diamètre à la base et 21,3 km de hauteur ; son activité, qui a commencé il y a 3,5 milliards d'années, s'est terminée il y a plusieurs centaines de millions d'années), également éteints. En revanche, Vénus abrite encore un volcanisme actif. Par ailleurs, les sondes spatiales Voyager ont photographié sur Io, l'un des principaux satellites de Jupiter, des volcans géants en pleine éruption, libérant des panaches explosifs jusqu'à 300 km d'altitude ; ce magmatisme, à base d'oxydes de soufre, diffère complètement du magmatisme terrestre, silicaté.

À ce volcanisme classique, où la lave est constituée de roche fondue, s'ajoute le cryovolcanisme (épanchement de glace fondue), ancien ou récent, de certains satellites de glace, comme Ganymède autour de Jupiter, Encelade et peut-être Titan autour de Saturne.