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Volcans et séismes

La viscosité d’un magma

Coulée de lave pahoehoe du volcan Kilauea à Hawaii, le 6 mars 2010. @ Rufiyaa / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0.

Un magma est un liquide en grande partie composé d’oxygène et silicium. Dans la nature, le rapport O/Si entre les nombres d’atomes d’oxygène et de silicium varie entre 2 et 4. Le rapport de 2 est celui du quartz, de formule chimique SiO₂. C’est la forme cristallisée de la silice, présente dans la croûte continentale. Le rapport de 4 est par exemple celui de l’olivine (Mg,Fe)(SiO₄), qui est un constituant majeur du manteau supérieur. Chaque atome de silicium a tendance à s’entourer de quatre atomes d’oxygène, qui forment un tétraèdre. Les atomes d’aluminium possèdent la même propriété, si bien qu’ils peuvent se substituer aux atomes de silicium. Le refroidissement d’un magma entraîne la polymérisation de ces tétraèdres : un atome d’oxygène devient le sommet de deux tétraèdres. Mais ce phénomène est contrarié par la présence d’atomes appelés des modificateurs de réseaux. Il y a notamment le magnésium, le fer (présents dans l’olivine), le titane, le calcium et le sodium. Ce sont des cations, c’est-à-dire des ions chargés positivement, de même que le silicium et au contraire de l’oxygène.

La viscosité donne la mesure la résistance d’un liquide à l’écoulement. On utilise surtout la viscosité dynamique, exprimée en pascal.seconde Pa.s, le pascal étant l’unité légale de pression. De ce qui vient d’être dit, on déduit que l’augmentation de la teneur en silicium ou en aluminium augmente la viscosité d’un magma, tandis que la présence de Mg, Fe, Ti, Ca et Na la diminue. En effet, elle est causée par la tendance des atomes de silicium à se lier avec l’oxygène pour constituer des réseaux de tétraèdres. La présence d’eau diminue fortement la viscosité car elle hydrolyse les liaisons entre le silicium et l’oxygène.

Viscosité de six magmas en fonction de leurs températures observées dans la nature. La plus riche en silice est la rhyolite, avec plus de 66% de silice. Les komatiites sont en revanche des roches dites ultramafiques, avec moins de 45 % de silice. Elles sont caractéristiques de l’Archéen, le second éon de la Terre, et étaient émises à haute température.

Ainsi, c’est la composition chimique du magma qui influe en premier sur sa viscosité. Il est intuitif qu’une augmentation de température la fait diminuer. C’est également le cas d’une augmentation de pression. La présence de gaz comme la vapeur d’eau H₂O déjà citée, mais aussi le dioxyde de carbone CO₂ ou le sulfure d’hydrogène H₂S, a le même effet. Par conséquent, quand un magma sort d’un volcan, sa viscosité augmente à cause de la diminution de pression et de température, ainsi que par son dégazage. Il faut également tenir compte du fait que les magmas comportent toujours une part de cristaux mêlés au liquide. Un magma basaltique, par exemple, peut comporter des cristaux d’olivine, de pyroxène, de plagioclase et de magnétite. On définit donc la viscosité effective d’un magma à partir de la fraction volumique X des cristaux et d’un autre nombre représentant leur forme. Pour X < 0,3, le magma est un fluide newtonien, c’est-à-dire que sa viscosité ne dépend pas de la contrainte qui est exercée sur lui. C’est un fluide « normal ». Pour X > 0,7, il se comporte comme un solide déformable. Sa viscosité très élevée dépend de la contrainte.

À 20 °C et à la pression d’une atmosphère, la glycérine a une viscosité dynamique de 1,49 Pa.s. À 1 200 °C, un magma basaltique a une viscosité dynamique de l’ordre de 100 Pa.s. Il est assez pauvre en silicium : sa teneur en SiO₂ tourne autour de 50 %. L’observation des volcans d’Hawaii a permis de définir deux types de coulées, dites pahoehoe et aa. Les premières sont moins visqueuses que les secondes, parce qu’elles contiennent cent fois moins de cristaux de plagioclase. Il s’agit de cristaux microscopiques, longs de quelques micromètres ou dizaines de micromètres. À partir de 1968, l’Arenal au Costa Rica a émis de nombreuses coulées de lave de type aa, à des températures comprises entre 1 100 et 1 150 °C. Leur viscosité a atteint 10⁷ Pa.s, à cause de leur haute teneur en cristaux. Certaines comprenaient un mélange de lave et de blocs solides, de quelque millimètres à un mètre de diamètre. La vitesse de ces coulées, sur des pentes atteignant 40°, ne dépassait pas 1 cm/s, et leur longueur moyenne était de 2 km. Les coulées de type pahoehoe peuvent atteindre plusieurs dizaines de kilomètres par heure et se déplacer sur une cinquantaine de kilomètres.

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