Au cours de l’année dernière, des scientifiques et des étudiants de l’Université de Buffalo ont revêtu des combinaisons aluminisées pour s’approcher des matériaux en fusion éjectés par le volcan Litli-Hrútur en Islande.
« On dirait un bulldozer de verre brisé qui s’approche », a déclaré le volcanologue Stephan Kolzenburg.
Alors que la plupart des gens éviteraient de s’approcher d’un volcan, l’équipe avait une raison cruciale d’être présente : tester un nouvel appareil, un pénétromètre conçu pour mesurer la viscosité de la lave. Une étude récente publiée dans la revue Review of Scientific Instruments aborde ce pénétromètre et les données recueillies lors de sa première utilisation sur le terrain, fournissant des informations inédites sur un flux de lave actif.
Les limites des expériences en laboratoire
La lave est composée de trois phases : le magma, ou roche en fusion ; les bulles, ou gaz contenus dans le magma ; et les cristaux, ou matériaux solidifiés. Comprendre la viscosité de la lave est essentiel pour mieux appréhender sa vitesse d’écoulement. Une lave à haute viscosité est épaisse et collante, tandis qu’une lave à faible viscosité s’écoule plus comme un liquide, semblable à une « rivière de feu ».
La composition et la viscosité de la lave varient non seulement d’un volcan à l’autre, mais aussi selon les caractéristiques au sein d’un même volcan, a expliqué Alan Whittington, volcanologue non impliqué dans cette étude. Par exemple, « la lave chaude est généralement très fluide », a-t-il précisé. « À mesure que la lave refroidit, elle devient extrêmement collante. »
En raison de cette complexité, sans oublier les dangers d’être si près d’un matériau imprévisible à plus de 1 000 degrés Celsius, les expériences visant à mesurer la viscosité de la lave ont été limitées. Les études précédentes sur la viscosité en milieu naturel n’ont révélé des informations que pour un endroit et un moment précis.
La plupart des recherches sur la viscosité de la lave se déroulent en laboratoire, où les scientifiques peuvent créer leur propre lave. Bien que ce type d’expérience fournisse des informations importantes sur le comportement potentiel de la lave dans la nature, il reste une entreprise très contrôlée.
« Nous pouvons refondre des roches que nous trouvons et ensuite diminuer la température en laboratoire, ce qui entraîne leur cristallisation », a expliqué Kolzenburg, l’un des auteurs de l’étude récente. Cependant, comme ces expériences se déroulent à pression atmosphérique, les substances volatiles comme les gaz créent des bulles qui se dissolvent, « et tout comme une canette de soda qui perd son gaz après quelques heures, cela devient plat. Nous ne pouvons pas contenir les volatiles en laboratoire », a-t-il ajouté.
Développer un pénétromètre amélioré
En raison des limites des expériences en laboratoire et pour valider les données obtenues lors des précédents essais de lave artificielle, un nouvel outil était nécessaire pour mesurer la viscosité de la lave sur le terrain. Les étudiants ont collaboré avec des machinistes de l’Université de Buffalo pour construire des prototypes. « L’objectif était de créer un appareil portable capable de mesurer la viscosité d’un matériau dans un volume relativement important », a déclaré Martin Harris, doctorant et auteur principal de l’étude récente.
Une fois qu’ils ont été satisfaits du design de leur pénétromètre, un dispositif en acier inoxydable ressemblant à un long coupe-herbe, ils l’ont testé dans des substances de viscosité variable : « de la pâte à modeler, des gels que nous pouvions obtenir », a précisé Harris.
Le pénétromètre devait être suffisamment long pour que l’utilisateur puisse se tenir à une distance sûre tout en étant assez portable pour être manipulé par des chercheurs de tailles et de forces physiques variées. Il ne devait pas fondre au contact de la lave.
« En fin de compte, les mesures elles-mêmes ne prennent pas beaucoup de temps. Vous êtes là pendant environ 30 secondes, puis vous pouvez reculer, le baisser et vous reposer un peu avant de recommencer. Ce n’est pas quelque chose qui nécessite d’être maintenu pendant 10 minutes d’effort intense », a expliqué Harris.
Le nouveau pénétromètre à lave fonctionne en mesurant la force nécessaire pour enfoncer l’outil dans un matériau, ainsi que le temps qu’il faut pour atteindre une certaine profondeur. Ces deux propriétés, force et déplacement, déterminent la viscosité du matériau environnant. L’appareil se compose d’un long tube relié à un manomètre qui mesure la force de compression. Au sommet du tube, une seconde tige métallique se déplace le long d’un rail à roulements pour mesurer le déplacement.
Un premier test sur le terrain réussi et au-delà
Les mesures effectuées en Islande l’année dernière ont montré une large gamme de viscosité de la lave, allant de 300 à 34 000 pascal-secondes, ce qui signifie que certaines laves étaient plus fluides tandis que d’autres étaient plus collantes, sur une plage de températures de 1 148 °C à 1 165 °C.
« Ce qui m’intéresse, c’est la variabilité du flux lorsque vous commencez à l’explorer », a déclaré Whittington. « Je pense qu’il y a beaucoup à apprendre. [Le pénétromètre à lave] est un excellent complément aux approches de télédétection et d’expérimentation en laboratoire que nous avons actuellement. Il ne remplace aucune d’entre elles, mais il va produire de nombreuses nouvelles données intéressantes. »
La prochaine étape pour Harris et l’équipe de Buffalo est de collaborer avec des observatoires volcaniques à travers le monde, comme celui de l’île de La Réunion, et de former d’autres chercheurs à l’utilisation du pénétromètre. « Cela facilitera finalement des études et des ensembles de données mondiaux sur la viscosité de la lave, permettant une meilleure compréhension de sa viscosité au moment où elle émerge du sol. La seule façon d’y parvenir est que davantage de personnes utilisent ces instruments. »
