la prévision d'une éruption volcanique sur l'Etna: janvier 2008

dimanche 27 janvier 2008

Introduction

L'Etna est le plus grand volcan d'Europe, et c'est ce qui nous a donné envie de nous intéresser à lui. Il mesure environ 3 350 mètres et domine pleinement la Sicile, l'île sur laquelle il se situe. C'est un des volcans les plus actifs du monde. Les scientifiques ont remarqué que l 'Etna devenait un volcan explosif d'où l'intérêt de l'observer de façon plus vigilante puisque les volcans explosifs sont plus dangereux que les volcans effusifs dont on voit arriver les coulées de lave. Il cause cependant peu de pertes humaines, patrimoniales, environnementales et peu de dégâts sur les structures humaines. Cette étrangeté nous a poussé à nous demander comment les hommes arrivaient à prévoir les activités volcaniques de l'Etna et limiter ainsi ses risques.

Nous étudierons dans notre démarche scientifique les signes précurseurs d'une éruption, leur détection par des instruments adaptés et la prévision faite par l'observatoire sur le moment de l'éruption.

L'expérience 1

Matériel:

- 2 seringues

- mélange visqueux (eau + farine + colorant orangé ) modélisant le magma
- carton pour réaliser la maquette
- plaque de plexiglas
- 2 punaises
- pâte brisée modélisant les flancs du volcan
- film transparent

Objectif:

Montrer l'écartement des flancs du volcan après l'injection rapide d'un mélange visqueux représentant le magma afin d'obtenir l'allongement du fil positionné sur les flancs du volcan et fixé par des punaises. Le fil modélise le distancemètre qui mesure l'écartement des pentes volcaniques.

Fabrication de la maquette:

Nous avons créé une maquette en carton à l'aide de ruban adhésif. De plus la pâte brisée modélisant les flancs est enveloppée d'un film transparent afin que le liquide visqueux ne l'atteigne pas. Nous avons percé un trou adapté aux seringues dans le carton soutenant la maquette.

Expérience:

Nous avons injecté le liquide visqueux par l'orifice adapté et nous avons pu observer que les flancs du volcaon s'écartent significativement lors de la remontée magmatique. L'écartement des pentes entraine une tension du fil. Cette tension permet de mesurer l'écartement observé des flancs volcaniques.

L'expérience 2

Matériel :

-Vinaigre ( Acide Acétique )
-Hydrogénocarbonate de sodium
-Appareil de mesure de la pression
-Ballon à fond plat
-Colorant rouge
-Liquide vaisselle ( permet de mieux voir la montée )
-Eau

Objectif:

Montrer l’augmentation de la pression lors de la remontée magmatique modélisée par la réaction acido - basique entre le vinaigre et l’hydrogénocarbonate de sodium.

Réaction:

On a mis du vinaigre ( acide acétique de formule CH3COOH) avec de l’hydrogénocarbonate de sodium ( HCO-3 ) Une réaction se produit :
Les deux couples acido-basiques mis en jeux sont :

Acide acétique CH3COOH/ CH3COO- ion acétate
Dioxyde de carbone CO2, H2O/HCO-3 Hydrogénocarbonate de sodium
On écrit les deux demies équations puis l’équation de la réaction
CH3COOH = CH3COO- + H+
H+ +HCO-3 = CO2, H2O

CH3COOH+ HCO-3 ------> CH3COO- + CO2, H2O

Il y a donc un dégagement gazeux de dioxyde de carbone et qui fait donc augmenter la pression. En effet elle passe de 1028 hPa (qui est la pression dans la salle où nous avons réaliser notre expérience) à environ 1450- 1500 hPa dans le ballon contenant la réaction.
Cependant nous tenons à préciser que l’augmentation réelle dans un volcan est bien plus grande que celle que nous avons trouver grâce à notre expérience c’est donc une modélisation.
Le dioxyde de carbone modélise les gaz contenues dans le volcan comme par exemple l'anhydride sulfureux (SO2) ,l'acide sulfurique (H2S), l’hydrogène (H2)... . Il y a aussi présence de dioxyde carbone lors d’une éruption .

Remarque :

Il peut y avoir aussi une autre réaction :
CO2, H2O/ HCO-3
H2O /OH-

HCO-3 + H2O ------> CO2, H2O + OH-

Nous avons aussi testé une réaction entre l’hydrogénocarbonate de sodium et l’eau on a observé que la pression passait de 1039 hPa dans la salle témoin à 1050hPa. Afin que la réaction soit plus vive et que la pression augmente significativement nous avons décidé de choisir le vinaigre comme réactif.

Les signes précurseurs de l'éruption

D'après le rapport de l'éruption de 1669, nous pouvons constater qu'il existe différents signes précurseurs d'une activité volcanique.

Quels sont ces différents signes précurseurs et comment pouvons-nous les expliquer?
Nous allons nous appuyer sur l'éruption de 1669 qui réunit en grande partie es signes précurseurs d'une éruption volcanique tout en complétant grâce à nos recherches parallèles.

Le premier signe prémonitoire est une activité sismique enregistrée dans la zone du volcan. Ce sont de petits séismes appellés trémors dûs à l'intrusion d'un magma dans la cheminée. Cette activité se fait à moindre profondeur que les séismes résultant de la tectonique des plaques.

Lors des tremblements, les fractures du sol appellées fumerolles dégagent des gaz et des éléments minéraux de type volcanique provenant du magma. Ces dégagements entrainent une augmentation de température et de pression à l'intérieur du volcan.
La remontée du magma a pour conséquence de déformer les pentes volcaniques comme le montre notre expérience 1.

Le passé du volcan, son "CV", permet aussi aux volcanologues de prévoir une éruption. En effet, les anciennes éruptions peuvent apporter des informations sur celles à venir grâce à la définition d'un aléa volcanique. Celui de l'Etna est élevé depuis 30 ans.

Aléa: probabilité d'une zone donnée située autour d'un volcan à être exposée à un phénomène déterminé, ici une éruption volcanique.

Quelques jours avant l'éruption, il y a également des petites explosions de vapeur etl'apparition de fissures près de la cheminée éruptive. D'autres phénomènes sont observés comme l'écoulement de l'eau au niveau des sources proches du volcan.

Les animaux ont un comportement étrange de peur avant une activité volcanique ou sismique car ils sont plus sensibles aux phénomènes mais une telle détection reste aléatoire et dépend principalement de l'animal.

Les signes précurseurs d'une éruption volcanique sont donc une activité sismique, une augmentation de pression et de température dans le volcan, des fumerolles dégageant des gaz magmatiques et une remontée de magma. Ces changements subis par le volcan sont repérés et mesurés par des appareils de mesure très performants.

Les appareils de mesure: une prévision mécanique de l'éruption

Quels sont les appareils de mesure sur l'Etna et comment fonctionnent-ils? Nos recherches nous ont apporté des réponses.

L'inclinomètre mesure l'inclinaison de la pente (photo 1). On peut donc prévoir une activité volcanique en mesurant la pente. C'est-à-dire que si la pente augmente l'inclinomètre le détecte. Ce changement s'effectue avec la remontée du magma qui provoque une pression, et cette pression provoque une déformation de la chambre magmatique

Les inclinomètres de type BLUM sont ceux qui sont le plus souvent utilisés pour les volcans. Ils sont composés d’un pendule horizontal à composée de deux fils et d’une plaque inox. Ils sont équipés d’une fenêtre, de deux photorésistances et d’une source lumineuse. Le rayon lumineux qui passe par la fenêtre de la plaque inox éclaire une partie centrale des deux photorésistances. La suspension du pendule transmet tout mouvement du sol à la plaque inox. En raison des variations importantes de températures au volcan (entre –10°C et + 40 °C) et de la sensibilité de ces instruments aux changements thermiques, le cadre, les fils et le pendule sont en silice car ce matériau possède un coefficient de dilatation thermique très faible. Les fils de suspension ne mesurent qu’une dizaine de microns et sont donc très fragiles mais particulièrement sensibles. Les mesures sont effectuées toutes les minutes et transmises à l’observatoire par voie hertzienne toutes les 5 minutes.

Le sismomètre détecte les moindres séismes appelés trémors (photo 2). Il est placé en profondeur, et permet d'enregistrer les chocs et les fractures. S'il y a un enregistrement d'un séisme, la remontée du magma confirme qu'il y aura une éruption.

Un sismomètre est composé d'un aimant suspendu sur des ressorts à ses extrémités dans une bobine. Lorsque les ondes sismiques arrivent au sismomètre, la bobine légère et solidaire du sol, suit ces vibrations. L'aimant, par inertie de sa masse et des ressorts, a une vibration propre, qui est beaucoup plus lente que celle de la bobine. Ceci entraîne une variation du champ magnétique dans la bobine et génère un courant induit alternatif. Ce courant, le signal, est amplifié et envoyé a l'Observatoire Volcanologique par voie hertzienne en temps réel. Puis le signal est traité électroniquement, enregistré par ordinateur, et/ou transcrit graphiquement sur papier.

Le distancemètre permet de mesurer la distance entre les flancs du volcan (photo 3). Lors du gonflement de la chambre magmatique et de la remontée du magma, les distances entre 2 points du volcan peuvent changer de plusieurs centaines de km. Il est donc placé sur les flancs du volcan. Nous avons modélisé ce phénomène dans notre expérience 1.

Le distancemètre émet un rayon infrarouge d'une longueur d'onde de 905 nanomètres successivement vers les prismes réflecteurs installés sur le volcan. Le temps de parcours aller-retour est chronométré. Ainsi on peut déterminer la distance entre émetteur et réflecteur jusqu'à 4 km avec avec une précision de 5 mm.

Il existe également un nouveau système plus performant et précis, le GPS : Glogal Positioning System qui est un réseau de satellites artificiels et de balises receptrices couvrant l'ensemble de la surface terrestre(photo 4). Grâce à cette nouvelle technologie, les moindres déplacements du volcan ou l'évolution de son cône est visible en temps réel. De plus les mesures sont très précises elles sont en effet de l'ordre du milimètre.

Pour suivre des déformations d'un volcan aussi bien à long terme que lors des intrusions magmatiques, des précisions beaucoup plus poussées sont nécessaires. Pour obtenir des mesures exactes, on utilise le "GPS Différentiel". Ainsi nous sommes en mesure de suivre les mouvements du volcan en temps réel grâce à des GPS permanents ou suivre l'évolution du cône en effectuant les campagnes de mesures régulières.

Il y a aussi un appareil qui permet d'analyser la composition des gaz. C'est le spectromètre (photo 5). Il existe des gaz moteurs d'une éruption. Un spectromètre d'absorption infrarouge de 10 à 15 km de distance analyse la composition des gaz et enregistre la variation de ces derniers par rapport à la profondeur du magma. En effet lorsque le magma se rapproche de la cheminée la composition des gaz dégagés est modifiée. Par exemple le spectromètre peut constater le dégagement de soufre ou de dioxyde de carbone par le volcan. Ces gaz ne sont pas présents dans le volcan en temps normal.

Le spectromètre est un appareil de mesure capable de décomposer une quantité observée. En spectrométrie de masse, il décompose un mélange de molécules en éléments simples qui constituent son spectre. Il obtient ensuite les masses spécifiques de chaque molécules et définit un spectre de masse. Ce spectre donne la composition chimique des gaz observés dans le cas d'un volcan. Il existe également des spectromètres utilisés en spectrocopie optique qui mesure l'intensité de la lumière et d'autres modèles en accoustique ils convertissent une onde sonore en spectre sonore, mais ils ne sont pas utiles dans le domaine volcanologique.

Les informations obtenues par les instruments de mesure sont envoyées à l'observatoire qui les interprète. Le résultat de l'observatoire est de prédire le moment de l'activité volcanique.

L'observatoire

Comme nous l'avons constaté dans les parties précédentes, les signes précurseurs d'une activité volcanique associés à la détection des instruments de mesure permettent de prévoir une éruption.

A toutes ces techniques s'ajoutent la surveillance visuelle du volcan grâce aux études des volcanologues sur le terrain ou par un système d'enregistrement d'image du volcan en temps réel. Les volcans les plus dangereux sont surveillés 24/24h par un personnel relayé. C'est le cas de l'Etna.

La surveillance du volcan doit répondre à 3 questions:

-Où?

-Quand?

-Quel type d'éruption?

Les réponses à ces questions peuvent être données par une connaissance approfondie du volcan, aussi bien de son histoire que de son état actuel, puisque chaque volcan a sa spécificité même à l'intérieur des familles. Il faut donc adapter la surveillance au volcan.

Pour répondre à ces questions il faut également regrouper la totalité des recherches faites en volcanologies. Une grande partie des recherches sont menées par les observatoires orientés vers la reconnaissance des phénomènes précurseurs volcanologique et des mesures des appareils.

En effet, les informations mesurées sont envoyées à un observatoire volcanologique. Ils sont le plus souvent installés à proximité du volcan. Les mesures sont analysées par des programmes informatique et comparées avex les informations déjà existentes, le CV du volcan. Les analyses se font dans les observatoires volcanologiques. Les mesures sont donc décryptées et comparées aux anciennes éruptions ainsi que les mesures faites sur le volcan lorsqu'il n'est pas en activité. De plus les échantillons prélevés sur le volcan subissent des analyses physiques et chimiques comme le magma dont la composition doit être analysée.

L'Observatoire a pour but d'avertir les autorités d'un risque volcanique. Celles-ci doivent ensuite mettre en plan un plan d'évacuation pour préserver la population.

Un manque de bonne coopération entre les scientifiques et les responsables politiques peuvent aboutir à des conditions désastreuses pour les habitants menacés. Un exemple malheureux de ce manque est l'éruption de la Montagne Pelée de 1902. Le 8 mai 1902, la Montagne Pelée entre en éruption après une série de signes précurseurs: dès 1900 des fumerolles sortent du haut du volcan, puis en mars et en avril 1902 des explosions et des tremblements de terre ainsi qu’une odeur de souffre s'en dégagent. Les habitants ont été inquiétés de ces phénomènes inattendus mais les autorités n’ont pas mis pour autant de plan d’évacuation en place car le 11 mai des élections étaient prévues.
Cependant les volcanologues ont contribués à sauver des dizaines de milliers de vies humaines car la science a beaucoup évolué en matière de prévision et de surveillance volcanique. La marge d'erreur de l'Observatoire à été réduite à 36h.

Nous pouvons tout de même nous demander si les scientifiques seront un jour en mesure de prévoir l'heure exacte de l'éruption compte tenu des progrès scientifiques faits de jour en jour.

Conclusion

Les hommes peuvent prévoir une activité volcanique grâce aux informations que le volcan lui-même leur apporte.

Les signes précurseus d'une éruption de l'Etna donnent de nombreuses informations aux volcanologues.
Les signes précurseurs d'une éruption sont enregistrés par des appareils de mesure prévus à cet effet. L'Observatoire apporte des réponses sur l'endroit de l'éruption, le moment à 36h près, et le type d'éruption qui se produira. Il peut alors informer les autorités concernées.

Toutefois il est difficile d'expliquer aux populations menacées qu'elles courent un réel danger si elles ont toujours vécu à proximité du volcan resté inactif. C'est pourquoi des plans d'alerte, de secours et d'évacuation sont établis par les autorités civiles.

L'Etna est en ce moment un volcan effusif et explosif et représente un véritable danger pour les habitants de ses pentes volcaniques. Il faut donc rester vigilant même s'il semble inoffensif.

***************

Une nouvelle méthode pour mieux anticiper les éruptions volcaniques
LE MONDE 22.01.08 14h46 • Mis à jour le 22.01.08 14h46

Le piton de la Fournaise, sur l'île de la Réunion, est un des volcans les plus actifs du monde, avec au moins une éruption par an depuis 1998. Les observateurs qui surveillent en permanence ce volcan pouvaient jusqu'à présent prévoir ses éruptions quelques heures à l'avance. Leur pronostic pourrait s'améliorer avec l'application d'une nouvelle méthode de surveillance, basée sur une étude menée par Florent Brenguier, chercheur à l'Institut de physique du globe de Paris, en collaboration avec des équipes du laboratoire de géophysique de Grenoble et de l'observatoire volcanologique du piton de la Fournaise.
Dans le travail qu'il a publié, lundi 21 janvier, dans la revue Nature Geoscience, M. Brenguier explique avoir mis au point une méthode de surveillance de l'activité magmatique d'un volcan par le bruit de fond sismique. Ce bruit de fond est constitué d'ondes sismiques émises en permanence dans la terre et issues de l'interaction entre l'activité océanique et le sous-sol marin. Une vingtaine de sismomètres, qui font partie de l'équipement d'observation du piton de la Fournaise, enregistrent ce bruit de fond, à partir duquel les chercheurs peuvent construire des images de la structure du volcan et en examiner les modifications.
Lorsqu'une éruption se prépare et que le magma monte, on observe un gonflement des édifices volcaniques. Ces mouvements, parfois minimes, provoquent une modification des vitesses de propagation des ondes sismiques, et donc du bruit de fond. En mesurant ces variations, les chercheurs peuvent anticiper une éruption.
Complémentaires des méthodes géodésiques et sismiques traditionnelles, notamment dans la période entre deux éruptions, ces mesures devraient permettre de rendre les pronostics plus fiables. "On pourra prédire une éruption plus précisément, mais aussi réduire le nombre de fausses alarmes produites par des crises sismiques qui, finalement, ne donnent pas d'éruption", estime M. Brenguier.
PRÉVOIR L'INTENSITÉ
Avec son équipe, celui-ci est en train de travailler sur des observations faites lors des deux dernières éruptions du piton de la Fournaise, en juillet 2006 et avril 2007. Pour ces éruptions, les volumes de magma émis étaient respectivement trois et vingt fois plus importants que pour d'autres éruptions étudiées en 1999 et 2000. Or l'amplitude des précurseurs observés dans le bruit de fond sismique par les chercheurs était aussi nettement plus élevée. La prévision de l'intensité d'une éruption pourrait donc devenir possible.
La méthode du bruit de fond est applicable à tous les volcans, selon M. Brenguier. Cependant, "elle est surtout intéressante pour des volcans plus explosifs, comme ceux d'Indonésie ou des Andes".
Ce nouveau procédé pourrait intéresser d'autres domaines que la volcanologie. Selon le physicien, il pourrait notamment contribuer à améliorer la prédiction des tremblements de terre et permettre de détecter de nouveaux gisements de gaz ou de pétrole sous la surface de la planète.

Sarah Brock
Article paru dans l'édition du 23.01.08.