Volcanisme : comparer éruptions effusives et explosives à partir de leurs produits

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Deux façons de faire une éruption

Une éruption volcanique est l'arrivée en surface de magma, une roche partiellement fondue formée en profondeur. Une fois à l'air libre et en grande partie dégazé, le magma prend le nom de lave. On distingue deux grands types d'éruptions, que l'on reconnaît d'abord grâce à leurs produits.

Les produits d'une éruption

• Les coulées de lave : lave qui s'écoule puis se solidifie en roche compacte, comme le basalte.
• Les projections ou téphras : fragments solides de magma, classés selon leur taille. Les cendres mesurent moins de 2 mm, les lapilli de 2 à 64 mm, les bombes et blocs plus de 64 mm. Les ponces sont des roches claires et très légères, pleines de cavités.
• Les gaz : surtout de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre.
• Les nuées ardentes : mélanges de gaz brûlants et de cendres qui dévalent les pentes à grande vitesse.

Éruption effusive

Le magma est pauvre en silice (environ 45 à 52 %), chaud (1 100 à 1 200 °C) et fluide. La viscosité mesure la résistance d'un liquide à l'écoulement. Ici elle est faible : les bulles de gaz dissous remontent et s'échappent facilement. Les produits dominants sont des coulées et des fontaines de lave. Le Piton de la Fournaise, à La Réunion, en est un exemple.

Éruption explosive

Le magma est riche en silice (plus de 60 %), plus froid (environ 700 à 900 °C) et très visqueux. Les gaz dissous s'échappent mal. Pendant la remontée, la pression diminue, les bulles se forment et grossissent. Le magma ne peut plus s'étirer : il se brise en fragments, c'est la fragmentation. Il en résulte une colonne de gaz et de cendres haute de plusieurs kilomètres, des ponces et parfois des nuées ardentes. La Montagne Pelée en 1902 et le Pinatubo en 1991 sont des exemples.

Exemple analysé

Un géologue ramasse deux échantillons. Le premier est noir, dense, avec de rares petites cavités, et provient d'une coulée longue de plusieurs kilomètres. Il indique un magma fluide qui a pu se dégazer : l'éruption est effusive. Le second est clair, très léger, criblé de cavités, et flotte sur l'eau. C'est une ponce : les cavités sont d'anciennes bulles de gaz piégées dans un magma visqueux qui s'est figé. Ce second échantillon indique une éruption explosive. Dans les deux cas, la roche refroidie garde la trace de ce que le gaz a pu faire.

Vocabulaire à maîtriser

Magma, lave, viscosité, silice, dégazage, fragmentation, téphras, nuée ardente.

Un piège à éviter

Le volume de lave émis ne mesure pas la violence d'une éruption. Une éruption explosive peut émettre peu de lave en coulée et des centaines de millions de mètres cubes de fragments. À l'inverse, une éruption effusive n'est pas sans danger : une coulée détruit ce qu'elle recouvre, même si elle avance lentement. Enfin, un même volcan peut alterner les deux types selon son magma. Le risque dépend de l'aléa (le phénomène volcanique possible) et des enjeux (personnes et biens exposés). Il ne se résume pas au type d'éruption et ne permet pas de prédire un bilan certain.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Deux volcans fictifs, A et B, situés dans des régions différentes, ont connu une éruption récente. Une équipe de volcanologues a mesuré les produits émis et noté ses observations de terrain. À partir de ces seules données, vous devez déterminer le type de chaque éruption, expliquer ce qui provoque la différence et discuter ses conséquences pour les habitants. Toutes les valeurs ci-dessous sont des Données pédagogiques simplifiées : elles sont plausibles mais ne reproduisent aucune étude réelle, et ne permettent pas de conclure sur l'ensemble des volcans.

Document 1 : produits émis par les deux éruptions

Document 2 : compte rendu d'observation

Éruption A. Pendant trois jours, des fontaines de lave de 30 à 50 m de hauteur ont alimenté une coulée noire et fluide. Elle a parcouru 2,4 km en 6 h. La roche refroidie est sombre, dense (2,8 g/cm³) et ne présente que de petites cavités. Aucune habitation ne se trouve à moins de 8 km du cratère.

Éruption B. Après plusieurs séismes, une explosion a lancé une colonne de gaz et de cendres haute de 18 km. Une nuée ardente a parcouru 9 km en 6 minutes. Les ponces ramassées sont claires, de densité 0,6 g/cm³, pleines de cavités, et flottent sur l'eau (densité de l'eau : 1 g/cm³). Quarante mille habitants vivent à moins de 30 km du cratère.

Exercice 1 : Exploiter les produits émis

1. Relève dans le document 1 trois différences entre le magma A et le magma B.
2. Calcule, pour chaque éruption, le pourcentage de fragments dans le volume total émis (coulées plus fragments). Arrondis à l'unité.
3. Indique le type d'éruption de A et de B. Justifie chaque réponse avec deux arguments tirés des documents.
4. On suppose que les deux magmas contiennent la même quantité de gaz dissous. Explique pourquoi ce gaz s'échappe facilement de A mais pas de B.

Exercice 2 : Calculer et modéliser

1. Calcule la vitesse moyenne de la coulée A en km/h.
2. Calcule la vitesse moyenne de la nuée ardente B en km/h, puis indique combien de fois elle est plus rapide que la coulée A (arrondi à l'unité). Une personne marche à environ 5 km/h : que peut-on en déduire pour chaque phénomène ?
3. Compare la densité de la ponce à celle de l'eau. Explique pourquoi la ponce flotte et ce que ses cavités révèlent sur le magma B.
4. Pour modéliser l'effet de la viscosité, tu disposes de deux gobelets transparents identiques, d'eau, de sirop très épais, de deux pailles et d'un chronomètre. Propose un protocole sans danger qui compare la remontée de bulles d'air. Précise ce que tu fais varier, ce que tu mesures, ce que tu gardes identique, le résultat attendu et une limite du modèle.

Exercice 3 : Argumenter

1. Un élève affirme : « B a émis 15 millions de m³ de lave contre 6 pour A, donc B est plus effusive. » Discute cette affirmation avec les données.
2. Rédige en quatre à cinq phrases une explication reliant la composition du magma, la viscosité, le gaz et le type d'éruption.
3. Un journal écrit : « L'éruption de type B fera obligatoirement des victimes. » Évalue cette phrase en distinguant aléa et enjeux.
4. Les documents permettent-ils d'affirmer que tout volcan à magma riche en silice est explosif ? Justifie en une ou deux phrases.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. Trois différences : la silice est de 49 % pour A contre 66 % pour B ; la température est de 1 150 °C contre 850 °C ; les fragments représentent 0,4 million de m³ pour A contre 900 pour B. On peut aussi citer les cendres, retombées à 3 km pour A et à 400 km pour B.
2. Éruption A : 0,4 / (6 + 0,4) = 0,4 / 6,4 = 0,0625, soit environ 6 %. Éruption B : 900 / (15 + 900) = 900 / 915 = 0,984, soit environ 98 %.
3. A est effusive : magma pauvre en silice et chaud, 94 % du volume en coulées, cendres limitées à 3 km, fontaines et coulée fluide. B est explosive : magma riche en silice et plus froid, 98 % du volume en fragments, colonne de 18 km, cendres jusqu'à 400 km, nuée ardente, ponces.
4. Le magma A est fluide : les bulles de gaz remontent et éclatent, le gaz s'échappe progressivement. Le magma B est visqueux : les bulles restent bloquées, grossissent quand la pression baisse et fragmentent le magma. La conclusion repose sur l'hypothèse d'un même contenu en gaz, que les documents ne vérifient pas.

Critères de réussite : calculs posés avec la formule, arrondis corrects, deux arguments par éruption, lien viscosité et dégazage.

Exercice 2 : correction

1. v = d / t = 2,4 km / 6 h = 0,4 km/h, soit 400 m par heure.
2. 6 minutes = 0,1 h. v = 9 / 0,1 = 90 km/h. Le rapport est 90 / 0,4 = 225 : la nuée est environ 225 fois plus rapide. Une personne à 5 km/h peut s'éloigner d'une coulée A, mais pas d'une nuée ardente, qui exige une évacuation préventive.
3. La densité de la ponce (0,6) est inférieure à celle de l'eau (1), donc elle flotte. Les cavités sont d'anciennes bulles de gaz piégées par le magma visqueux avant son refroidissement. Elles indiquent un magma riche en gaz qui n'a pas pu se dégazer.
4. Protocole : verser la même hauteur de liquide dans les deux gobelets, eau dans l'un et sirop dans l'autre, à température ambiante. Souffler doucement avec une paille, à la même profondeur et avec la même force. Mesurer au chronomètre le temps de remontée et d'éclatement des bulles, en répétant trois fois. La variable testée est le liquide, c'est-à-dire sa viscosité. Gardés identiques : volume, gobelet, profondeur, souffle. Résultat attendu : les bulles montent et éclatent vite dans l'eau, lentement dans le sirop où elles restent piégées. Limite : le modèle ne reproduit ni la température, ni la pression, ni le gaz dissous d'un vrai magma.

Critères de réussite : unités, conversion des minutes en heures, protocole avec une seule variable, limite du modèle citée.

Exercice 3 : correction

1. L'affirmation est fausse. Il est vrai que B a émis plus de lave (15 contre 6), mais ses coulées ne représentent que 2 % de son volume total, contre 94 % pour A. Le type d'éruption dépend de la part de fragments et des autres indices (silice, colonne, nuée ardente), pas du volume de lave seul.
2. Réponse attendue : un magma riche en silice est visqueux. Les gaz dissous y forment des bulles qui ne s'échappent pas. Pendant la remontée, la pression diminue, les bulles grossissent, le magma ne peut plus s'étirer et se fragmente brutalement : l'éruption est explosive. Un magma pauvre en silice est fluide, se dégaze et produit des coulées : l'éruption est effusive.
3. La phrase est trop affirmative. L'aléa est important pour B : nuée ardente, cendres sur 400 km. Les enjeux sont forts, avec 40 000 habitants à moins de 30 km. Le risque est donc élevé, mais il dépend de la surveillance, de l'alerte et de l'évacuation. Un bilan certain ne peut pas être annoncé. Pour A, l'aléa existe (coulée), mais les enjeux sont faibles à moins de 8 km.
4. Non. Deux éruptions fictives ne permettent pas de généraliser. Ces documents suggèrent seulement un lien entre silice, viscosité et explosivité, qu'il faudrait tester sur de nombreux volcans.

Critères de réussite : confrontation des deux documents, distinction aléa et enjeux, nuance sur la généralisation.