Traité de volcanologie physique

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Langue : Français

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Ouvrage 480 p. · 19x26 cm · Broché · Quadrichromie
ISBN : 9782743022587 EAN : 9782743022587
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Les volcans sont terre de paradoxes. Manifestation quasiment négligeable de l’activité terrestre d’un point de vue thermodynamique, ils n’en représentent pas moins un des phénomènes naturels les plus fascinants, pouvant être tour à tour majestueux, silencieux, instables, meurtriers, pourvoyeurs de terrains fertiles ou perturbateurs du climat mondial. De tels objets naturels ne peuvent être cernés que par une approche scientifique multidisciplinaire qui combine physique, chimie et géologie de terrain.

Traité de volcanologie physique propose une synthèse actualisée, recadrant l’objet géologique « volcan » dans son contexte géodynamique, mais aussi dans les problématiques contemporaines en fournissant des éléments de quantification techniques, financiers (ou économiques) et sociétaux. Sont tour à tour abordées des problématiques volcanologiques essentielles telles que la plomberie magmatique, l’impact du volcanisme sur le climat, l’hydrovolcanologie, les phénomènes para-volcaniques, la notion de risque volcanique ainsi que le volcanisme paroxysmal, responsable des extinctions de masse à l’origine de nombreuses ères géologiques, et le volcanisme extraterrestre.

C’est un corpus de connaissances complet, richement illustré, que propose Michel Detay aux étudiants en STU et SVT ainsi qu’aux candidats au CAPES et à l’Agrégation de SVT. Il apporte également un éclairage scientifique et technique aux enseignants de SVT et plus généralement à tout public intéressé par un aspect particulier du volcanisme, ou par le sujet dans sa globalité.

Préface, par Édouard Kaminski

Préambule, par Pierre Thomas

Introduction

CHAPITRE 1 GÉOMORPHOLOGIE VOLCANIQUE

1. Grandes classifications géomorphologiques

2. Principaux dynamismes éruptifs

3. Grands types morphologiques de lave

4. Retombées volcaniques

5. Magmatisme profond et expression après érosion

6. Signatures et indices éruptifs

7. Indice d’explosivité volcanique

CHAPITRE 2 CADRE GÉODYNAMIQUE DU VOLCANISME

1. La Terre : machine thermique

2. Le paradigme de la tectonique globale

3. Les volcans : marqueurs de la tectonique des plaques

4. Taux de production magmatique terrestre actuel

5. Développements

CHAPITRE 3 FONDAMENTAUX DE PÉTROLOGIE MAGMATIQUE

1. Notion de magma

2. Fusion partielle

3. Cristallisation fractionnée

4. Notions de séries magmatiques cogénétiques

5. Le magmatisme dans le temps

6. Conclusion

CHAPITRE 4 RÉSERVOIR ET PLOMBERIE MAGMATIQUE-VOLCANIQUE

1. Concept de réservoir et de plomberie magmatique

2. Enseignement des granites, IBL, ophiolites

3. Flux et mélanges intra-chambre

4. La chambre magmatique : un réacteur

5. Perspectives

CHAPITRE 5 VOLCANOLOGIE PHYSIQUE

1. Ségrégation et migration des liquides de fusion

2. Ascension du magma

3. Éruption d’un magma basaltique

4. Éruption d’un magma silicique

5. Exposé

CHAPITRE 6 LE PHÉNOMÈNE ÉRUPTIF

1. Origine et importance des gaz volcaniques

2. Composés volatils et phénomène éruptif

3. Déclenchement de l’éruption

4. Contingence

CHAPITRE 7 PROCESSUS VOLCANIQUE ET GÉODYNAMIQUE

1. Zones de divergence (MORB)

2. Zones de convergence

3. Îles océaniques (OIB)

4. Plateaux océaniques (OPB)

5. Domaine intraplaque continental.

6. Modèles du manteau et distribution des hétérogénéités

7. Éléments de synthèse

CHAPITRE 8 HYDROVOLCANOLOGIE

1. Éruptions hydrovolcaniques

2. Volcanisme sous-marin

3. Hydrovolcanologie superfi cielle

4. Extrêmophiles en environnement volcanique

5. Ressources minérales et industrielles paravolcaniques

6. Résumé

CHAPITRE 9 VOLCANISME PAROXYSMAL

1. Caldeiras

2. Essaims de dykes géants

3. Supervolcans

4. Grandes provinces magmatiques (LIP)

5. Panaches mantelliques

6. Crypto-continents et crypto-volcans

7. Déductions

CHAPITRE 10 INFLUENCE DU VOLCANISME SUR LE CLIMAT

1. Effet de serre

2. Indicateurs et essais de quantification

3. Gaz à effet de serre (GES) volcaniques en période normale

5. GES volcaniques des supervolcans

6. GES volcaniques en période de trapps, LIP et CFB

7. Raisonnement

CHAPITRE 11 RISQUES VOLCANIQUES ET MITIGATION

1. Coulées de lave

2. Gaz volcaniques

3. Nuées ardentes et courants de densité pyroclastiques

4. Cendres volcaniques

5. Séismes

6. Tsunami

7. Jökulhlaups et lahars

8. Avalanches de débris et glissements de terrain

9. Coulées de débris

10. Instabilité des lacs acides

11. Pollution radioactive ?

12. Géotourisme volcanique et hydrothermal

13. Mitigation

14. Bilan

CHAPITRE 12 LES VOLCANS EXTRATERRESTRES

1. La Lune

2. Mars

3. Mercure

4. Vénus, musée de la morphologie volcanique

5. Durée de vie du volcanisme des planètes telluriques

6. Un volcanisme extraterrestre atypique

7. Mises en perspectives

8. Interrogations

Annexes

Glossaire

Orientation bibliographique

Index des noms propres

Index général

Les volcans sont terre de paradoxes. Manifestation quasiment négligeable de l’activité terrestre d’un point de vue thermodynamique, ils n’en représentent pas moins un des phénomènes naturels les plus fascinants, pouvant être tour à tour majestueux, silencieux, instables, meurtriers, pourvoyeurs de terrains fertiles ou perturbateurs du climat mondial. De tels objets – on parlera plutôt de systèmes – naturels ne peuvent être cernés que par une approche scientifique multidisciplinaire qui combine physique, chimie et géologie de terrain. Cette approche, dont la richesse a peu à céder à la richesse même des phénomènes étudiés, a profondément renouvelé la volcanologie depuis les années 1980 et quelques éruptions que l’on peut qualifier de fondatrices, comme celles du Mont St Helens en 1980 et du Pinatubo en 1991. Elle a permis aux scientifiques de dépasser les anciens paradigmes qui se ramenaient le plus souvent à une classification des types volcaniques voire des édifices eux-mêmes, et de proposer un cadre physique cohérent dans lequel on peut replacer, modéliser et comprendre les phénomènes magmatiques et volcaniques.

Mais ce qui est aujourd’hui le cadre commun utilisé dans les laboratoires de sciences de la Terre étudiant les volcans n’est encore que partiellement et parfois imparfaitement transmis aux élèves de collèges et lycées, aux étudiants, voire aux futurs et actuels enseignants du secondaire. Une partie de l’intérêt pour les classifications continue ainsi à conserver un poids important dans les enseignements, au détriment de la présentation et de l’explication des processus physiques à l’oeuvre au coeur des volcans.

Cette difficulté est de mon point de vue à relier à un autre paradoxe des volcans : fascinant le grand public, ils font l’objet de très nombreux livres de vulgarisation, le plus souvent exceptionnellement illustrés, mais réduits à la partie congrue pour ce qui concerne les modèles physiques. Les ouvrages d’un niveau universitaire, bien que de qualité, se comptent sur les doigts d’une main et ne sont pas exhaustifs.

La volcanologie physique en tant que telle n’avait pas fait jusqu’à présent l’objet d’un ouvrage de synthèse globale d’envergure, du moins en Français, nos collègues anglo-saxons bénéficiant de l’Encyclopedia of Volcanoes. C’est ce manque que vient combler l’ouvrage de Michel Detay.

Cet ouvrage s’inscrit dans une longue tradition, qui débute dès l’Antiquité par le livre II des « Météorologies » de Platon où est proposée la théorie des vents pour expliquer le fonctionnement des volcans, théorie reprise par Lucrèce dans le De Natura Rerum. On retiendra bien sûr comme publication majeure de l’Antiquité en volcanologie la lettre de Pline le Jeune dans laquelle il décrit l’éruption du Vésuve en 79. Mais gardons en tête qu’il s’agit ici d’une description – tout à fait remarquable – et qu’il n’y a pas de tentative d’explication physique, le scientifique Pline l’Ancien mourant quant à lui au pied du Vésuve sans avoir pu interpréter ses propres observations.

C’est au XIIIe siècle, à la suite de l’essor de la philosophie naturelle, des universités et des ordres mendiants, ainsi que du renouveau de la pratique scientifique insufflée par Alhazen ou Robert Grossetête, que des théories alternatives à la vision aristotélicienne seront proposées. Celle d’Albert le Grand, appuyée sur le travail encyclopédique d’Arnold de Saxe, représente les volcans comme un réservoir d’eau posé sur un feu et exhalant des vapeurs par des orifices. Ce rôle du feu sera repris par Kircher dans son traité de 1665, Mundus subterraneus, où les volcans sont vus comme les soupiraux d’où s’échappent les vapeurs incandescentes produites par le feu interne de la Terre, ancien Soleil refroidit.

Cette vision est à la base du Plutonisme qui s’opposera au XVIIIe siècle au Neptunisme, développé par Buffon dans son Histoire Naturelle, où l’eau joue un rôle central dans les phénomènes volcaniques, y compris les volcans issus en partie de la fermentation de minéraux... Le Plutonisme, défendu par James Hutt on et Charles Lyell, s’imposera à partir de 1752 quand Guettard comprend que la roche de Volvic est issue d’une coulée de lave.

La période suivante sera celle de la volcanologie descriptive, avec des contributions majeures de Sir Hamilton concernant l’Etna et le Vésuve à la fin du XVIIIe siècle, ou la publication en 1829 du cinquante-huitième tome du dictionnaire des Sciences Naturelles où Brongniart en particulier livre une synthèse remarquable des connaissances de l’époque.

La prochaine étape majeure à retenir dans l’histoire de la volcanologie et des publications est celle de 1902, quand se produit la catastrophique et meurtrière éruption de la montagne Pelée en Martinique et où est décidée la construction du premier observatoire volcanologique français. Si Lacroix publie à cette époque ce qui sera longtemps l’ouvrage de référence, La Montagne Pelée et ses éruptions, c’est son collègue Gautier, du Museum, qui comprend le premier le rôle de la phase gazeuse dans les éruptions explosives.

Après l’avènement de la tectonique des plaques dans les années 1970, la géologie opère sa véritable mue pour devenir les Sciences de la Terre quantitatives. Mais la volcanologie restera plus longtemps qualitative que d’autres branches des Sciences de la Terre. C’est ainsi qu’Haroun Tazieff ou les époux Krafft, dont le rôle dans la popularisation de la volcanologie est tout à fait remarquable, n’ont pas livré d’œuvres scientifiques en tant que telles. L’heure de la volcanologie physique « moderne » n’avait pas encore sonné en France ; elle était cependant bien avancée dans le monde anglo-saxon.

S’il ne fallait retenir qu’un nom comme père de la volcanologie physique, ce serait ainsi celui de George P.L. Walker. Titulaire d’une thèse de minéralogie obtenue en 1956 à Leeds, George Walker fut le premier à entreprendre des observations systématiques des dépôts volcaniques et à les synthétiser dans un cadre physique pour le fonctionnement des volcans, en s’intéressant en particulier à la connexion entre les phénomènes éruptifs et leur signature dans les dépôts. Il sut dépasser les frontières de l’approche naturaliste pour collaborer avec le physicien Lionel Wilson qui allait devenir un de ses influents disciples, aux côtés de Steve Self et de Steve Sparks. Il fut également le premier volcanologue à comprendre dans les années 1970 l’importance de la mécanique des fluides pour comprendre l’écoulement des laves, et à déduire, à partir de données de terrain, le rôle primordial du débit éruptif. George Walker est l’inventeur des méthodes d’étude des dépôts pyroclastiques sur le terrain, et proposa également une classification des éruptions explosives, basée sur les caractéristiques des éjecta et des dépôts, qui n’a depuis pas été remise en question.

À la suite de George Walker, son ancien étudiant Steve Sparks est sans nul doute devenu le plus grand volcanologue actuel ; il est l’auteur, en collaboration souvent avec le dynamicien des fluides Herbert Huppert, d’un ensemble de publications fondatrices, publiées à partir des années 1980, sur le fonctionnement physique des volcans. On peut d’ailleurs noter que Herbert Huppert a produit dans le milieu des années 1980 le modèle de mécanique des fluides démontrant que le rôle du débit éruptif était bien celui prédit par George Walker.

Cette école « anglo-saxone » de la volcanologie physique a donné les principaux noms de la volcanologie physique actuelle, comme l’anglais Andy Woods, le japonais Takehiro Koyaguchi, l’américain Steve Carey, ou l’islandais Thor Thordarson. Mais elle a également des ramifications en France, en particulier à l’Institut de physique du globe de Paris où Claude Jaupart, un des plus influents leaders mondiaux de la discipline, a monté sous l’impulsion de Claude Allègre un laboratoire de dynamique des fl uides géologiques traitant entre autre de volcanologie physique.

C’est en grande partie sur les travaux de Steve Sparks, de Claude Jaupart et de leurs étudiants, post-doctorants et collaborateurs, que s’est construite à la fi n du XXe siècle notre compréhension actuelle du fonctionnement des volcans. Ces enseignants-chercheurs ont produit et enseigné une masse de connaissances remarquable ; ce sont ces connaissances qui se retrouvent enfin synthétisées et démocratisées dans le Traité de volcanologie physique que nous présente Michel Detay.

Travail de synthèse colossal, c’est ainsi un corpus de connaissances tout à fait complet qui est proposé aux étudiants, aux enseignants et plus généralement à tout public intéressé par un aspect particulier du volcanisme, ou par le sujet dans sa globalité.

Édouard Kaminski

Professeur de volcanologie physique

Institut de physique du globe de Paris

Etudiants en STU et SVT et candidats au CAPES et à l’Agrégation de SVT.

Enseignants de SVT (lycée et classes préparatoires) et plus généralement tout public intéressé par le volcanisme.

Michel Detay présente la double compétence d'être à la fois un académique (géologue, docteur d’État) et un industriel (au sein du secteur privé - tant en France qu'à l'international), qui lui permet une mise en perspective novatrice et pratique de la volcanologie physique.
• Synthèse actualisée, complète et dynamique des disciplines scientifiques impliquées dans la volcanologie du XXIe siècle.
• Référence incontournable pour comprendre la volcanologie physique et maîtriser les risques associés.
• Ouvrage richement illustré d’exemples, de schémas synthétiques en couleurs et de nombreuses photos.