Il y a environ 7 300 ans, une éruption volcanique majeure s’est produite dans le sud de l’archipel japonais. Les géologues classifient cet événement comme l’un des plus importants de l’époque holocène, le volcan ayant expulsé entre 133 et 183 kilomètres cubes de roche. Suite à cette éruption massive, le réservoir souterrain s’est vidé, provoquant l’effondrement de la voûte du volcan et formant une caldeira, aujourd’hui totalement submergée par les eaux du Pacifique.
Cette caldeira, nommée Kikai, était considérée comme un phénomène géologique inactif. Néanmoins, des recherches récentes menées par des scientifiques de l’Université de Kobe et de l’Agence japonaise pour la science et la technologie (JAMSTEC) ont révélé que l’activité géologique sous-marine persistait. Les chercheurs ont découvert que le réservoir magmatique du volcan endommagé se remplissait actuellement de magma fondu. Cette découverte permet une compréhension détaillée des processus physiques à l’œuvre dans les plus grands systèmes volcaniques de la planète depuis des millénaires.
Problématique de l’architecture profonde des volcans
Les mécanismes de fonctionnement des stratovolcans sont bien connus, mais les supervolcans, formant des caldeiras géantes, fonctionnent selon d’autres principes physico-chimiques. Ces derniers entraînent des éruptions cataclysmiques, produisant d’importantes quantités de matériaux en peu de temps, redéfinissant la topographie des régions environnantes.
Un des enjeux majeurs pour les géologues était de comprendre ce qui se passe avec l’infrastructure magmatique après un tel effondrement. Lorsque de nouvelles quantités de magma émergent de la mante, forment-elles de nouveaux réservoirs en profondeur ou se dirigent-elles vers d’anciennes zones effondrées ? Comprendre ce mécanisme est essentiel pour évaluer l’état actuel de tous les supervolcans endormis de la planète.
Sondage acoustique du fond marin
Étudier les structures géologiques à plusieurs kilomètres de profondeur par forage direct est impraticable en raison des pressions et températures élevées. Pour contourner ce problème, les ingénieurs japonais ont utilisé la méthode de tomographie sismique.
Un navire de recherche, le Kaimei, a navigué au-dessus de la caldeira Kikai, réalisant une série de mesures sur 175 kilomètres avec 39 sismomètres hautement sensibles. Les appareils étaient espacés de 2,5 à 5 kilomètres pour capter les signaux générés par des frappes acoustiques produites toutes les 200 mètres.
Cette technologie repose sur le principe de propagation des ondes sonores dans les milieux solides. La vitesse des ondes est maximale dans les roches froides et homogènes, mais ralentit lorsqu’elles traversent des zones de haute température contenant des fractions de magma liquide. En mesurant le temps pris par l’onde acoustique pour atteindre chaque capteur, les algorithmes informatiques établissent une carte 3D détaillée de la croûte terrestre.
Anatomie du réservoir souterrain
Juste sous le centre du volcan effondré, à une profondeur de 2,5 à 6 kilomètres, une zone a été identifiée où la vitesse des ondes sismiques ralentissait de plus de 15 %. Cette région a la forme d’une massive trapeze.
Pour comprendre l’état physique de cet objet, les chercheurs ont utilisé des données d’expérimentations en laboratoire. Contrairement à l’idée populaire d’un réservoir magmatique comme une cavité remplie de liquide en ébullition, la réalité montre qu’il s’agit d’un immense volume de roche solide mais chauffée, à plus de 750 degrés Celsius.
Sur la base des propriétés du rhyolite, les chercheurs ont estimé la fraction de magma liquide dans le réservoir, qui se situe entre 3 % et 6 %. Cependant, ce volume élevé de réservoir, environ 220 kilomètres cubes, indique une activité potentielle dans le système.
Chronologie de la réinjection
En combinant les données de tomographie sismique avec l’analyse chimique des roches volcaniques, les chercheurs ont établi une séquence d’événements, désignée sous le terme de « modèle de réinjection du magma ». Le cycle de vie de la caldeira a été divisé en quatre étapes géologiques :
- Évaporation et effondrement : 7 300 ans auparavant, le réservoir a expulsé la majeure partie de son contenu, entraînant l’effondrement de la structure.
- Phase de dormance : pendant plusieurs millénaires, le système est resté stable en attendant un nouveau flux de pression de la mante terrestre.
- Début de l’injection : vers 3 900 ans, une nouvelle quantité de magma a commencé à s’élever, montrant une composition chimique différente de celle de l’ancienne éruption.
- Formation du dôme et état actuel : avec l’arrivée de la nouvelle magma, une partie des roches a été poussée à la surface, créant un dôme central mesurant plus de 32 kilomètres cubes.
Principes universels des supervolcans
L’étude du réservoir de Kikai présente un intérêt pour la géophysique, car ce mécanisme n’est pas un cas isolé. Les auteurs établissent des parallèles directs avec d’autres grands systèmes volcaniques, tels que Yellowstone, qui présentent des caractéristiques similaires, notamment une zone de magma partiellement fondu.
Ces observations signent un principe géologique universel. Au-delà des régions géographiques, les grandes caldeiras conservent une structure interne après un effondrement, devenant des zones privilégiées pour l’accumulation de nouveau magma futur.
La présence de 3 à 6 % de liquide dans le réservoir de Kikai indique que le système est lentement en phase d’accumulation. Toutefois, un nouvel événement éruptif nécessitera une augmentation significative de cette fraction. Ce qui est fascinant ici, c’est la capacité actuelle de la géologie à surveiller continuellement ces systèmes. Un suivi régulier de la vitesse des ondes sismiques permet d’observer directement les variations de la quantité de magma liquide, apportant des mises à jour cruciales sur la dynamique des supervolcans.
Points à retenir
- Une ancienne éruption volcanique a provoqué la formation d’une caldeira sous-marine au sud du Japon.
- Des recherches récentes indiquent que l’activité magmatique existe encore sous cette caldeira, remplissant un ancien réservoir.
- Une étude sismique avancée a été mise en place pour cartographier ces structures souterraines.
- Le réservoir magmatique comprend une fraction de liquide qui suggère une éventuelle activité future.
- L’étude des supervolcans révèle des principes géologiques communs et des analogies à travers le monde.
Ce sujet ouvre la voie à des discussions inévitables sur la dynamique des supervolcans et sur la manière dont les avancées technologiques en géologie peuvent nous aider à prédire de futurs événements éruptifs. En tant qu’amateur de géologie, je suis fasciné par la complexité de ces systèmes et leur potentiel d’évolution, nous rappelant à quel point la Terre est vivante et en perpétuel mouvement.