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Les propriétés des magmas

Vous êtes ici : » » Les propriétés des magmas ; écrit le: 14 mai 2012 par La rédaction



La  grande variété de compositions chimiques des magmas naturels i conjointement aux différences de pression et de température qui caractérisent  les régions traversées par le magma (du manteau supérieur jusqu’à  la surface terrestre), déterminent un vaste éventail de propriétés du magma. Ces propriétés (densité, viscosité, conduction thermique, capacité à retenir en solution les éléments volatils comme l’eau, le gaz carbonique, etc.) sont d’une très grande importance dans les processus volcaniques et influencent considérablement non seulement le type d’éruption et les caractéristiques des produits émis, mais aussi le moment de l’éruption.

Saturation des éléments volatils

Dans un corps magmatique, la formation de bulles de gaz qui s’arrêtent un temps à l’intérieur de la croûte terrestre, est un mécanisme pouvant mettre en branle toute une série de processus qui aboutissent à une éruption dans la plupart des cas. Cela se vérifie dans la mesure où la formation de bulles de gaz est liée aux changements des conditions de pression du magma, lequel peut dès lors se frayer un chemin vers la surface en brisant les roches qui se trouvent au-dessus. Par conséquent, les probabilités d’une éruption seront d’autant moins importantes que sera grande la capacité du magma à retenir les gaz en solution, en évitant la formation de bulles.
Les conditions de pression et de température auxquelles le magma commence à former des bulles de gaz en équilibre chimique dans le liquide dont elles se libèrent, sont dites «conditions de saturation». Elles dépendent de la composition chimique du liquide magmatique, comme du type et des quantités relatives des éléments volatils qui y sont dissous. Au-delà de ces facteurs, la pression est un paramètre fondamental dans la détermination des quantités de gaz qui resteront en solution et de celles qui iront former des bulles de gaz. Au fur et à mesure que la pression diminue, des quantités de moins en moins importantes d’eau, de gaz carbonique et autres gaz magmatiques peuvent rester en solution dans le liquide. Le résultat est la formation d’un nombre de plus en plus important de bulles, ou bien l’augmentation de la taille de celles déjà formées. Étant donné que la pression diminue à l’approche de la surface terrestre, un magma sera d’autant plus riche eu huiles qu’il remonte le long d’un conduit volcanique. Celui que nous venons de décrire est un processus d’une très grande importance dans une éruption volcanique, responsable de nombreux autres processus que nous verrons dans le détail au chapitre suivant.

La densité des magma

La densité d’un corps est le résultat du rapport existant entre sa masse et son volume. Il s’agit là d’un facteur d’une très grande importance : un corps plongé dans un fluide plus dense que lui aura tendance à flotter, tandis qu’il coulera dans le cas contraire. Étant donné que les magmas naturels traversent différents stades (solide, liquide et enfin gazeux), ‘ est en fonction de la densité caractéristique de chacun de ces états que 1rs éléments se concentreront en haut ou en bas du corps magmatique, par exemple, les bulles de gaz étant plus légères que le liquide magmatique qui les contient, elles auront tendance à se déplacer vers le haut. C’est pourquoi la surface de la lave semble souvent en ébullition et le gaz contenu dans un corps magmatique à l’intérieur de la Terre se dégage du magma, et atteint la surface en créant des fumerolles. Pour ce qui est des minéraux magmatiques, certains sont plus denses que le magma qui les produit, tandis que d’autres le sont moins. En règle générale, les minéraux riches en fer et en magnésium comme les olivines et les pyroxènes, et des oxydes comme les magnétites et les ilménites, sont plus denses que le liquide magmatique et ont donc tendance à couler. Étant donné que ces minéraux se forment en abondance au cours des premières phases de l’évolution chimique d’un magma, le fait qu’ils coulent et qu’ils s’éloignent donc des parties liquides dont ils se sont formés, appauvrit le liquide lui-même de fer et de magnésium, tout en contribuant à l’évolution chimique du magma à travers la cristallisation fractionnée . À l’inverse, des minéraux tels que les plagioclases (riches en aluminium, sodium et calcium) et les feldspaths (riches en aluminium, sodium et potassium) sont souvent moins denses que le liquide magmatique et tendent ainsi à remonter en allant s’accumuler au sommet du corps magmatique.



La viscosité des magma

Parmi les propriétés des magmas, la viscosité est probablement celle qui influence davantage le type d’éruption, car elle indique la capacité d’un fluide à se déformer et donc à s’écouler. Son importance vient du fait que les magmas naturels présentent des degrés de viscosité pouvant différer entre eux de centaines de milliers de milliards de fois, selon les conditions ambiantes. Étant donné que la dynamique d’une éruption dépend principalement des modalités de remontée dans les fractures reliant le magma des profondeurs au cratère volcanique, il s’ensuit que
selon la viscosité du magma on obtiendra des types d’éruption extrêmement différents. La viscosité est donc en rapport avec le caractère explosif des éruptions, comme avec la dynamique des coulées de lave. La viscosité d’un magma dépend de plusieurs facteurs: la composition chimique, la température et la teneur en eau en solution, comme celles en cristaux et en bulles de gaz.

Le rôle de la composition chimique du liquide magmatique

Comme  nous l’avons déjà dit, le liquide magmatique est constitué de plusieurs composants, lesquels, dans certaines conditions de pression et de  température, se structurent en cristaux. Il faut savoir, cependant, que les ébauches des structures complexes que l’on retrouve dans les cristaux existent déjà dans le liquide magmatique.  En d’autres termes, certaines molécules ou groupes de molécules s’associent pour former monomères, dimères, chaînes et autres structures qui ont pour résultat de limiter le mouvement des molécules elles-mêmes. Étant donné que cette mobilité restreinte implique une moindre capacité du liquide à se déformer sous l’action d’une force, la présence de ces structures se traduit par une augmentation de la viscosité. Quant aux différents oxydes qui composent les liquides magmatiques, ils jouent des rôles différents dans la construction des structures moléculaires, c’est-à-dire dans le degré de polymérisation du liquide. En effet, si certaines d’entre eux contribuent à construire des chaînes moléculaires, d’autres en revanche y font obstacle. Le silicium est l’élément constructif le plus efficace : une plus grande teneur en silice implique un degré plus élevé de polymérisation – et donc de viscosité – du liquide. L’aluminium est, lui aussi, un élément constructeur de structures, sauf lorsqu’il est soumis à des conditions de très haute pression, auquel cas il produit l’effet inverse. En revanche, des éléments comme le fer et le magnésium sont appelés «modificateurs de structure», dans la mesure où ils diminuent le niveau de polymérisation et par conséquent la viscosité du magma. L’eau produit un effet similaire, car lorsqu’elle est en solution dans le liquide magmatique elle contribue à en diminuer la viscosité : elle agit en revanche dans le sens inverse lorsqu’elle passe de l’état liquide à l’état gazeux, en s’approchant de la surface terrestre.

Le rôle de la température

La température d’un corps correspond à la moyenne de l’énergie interne que ce corps possède. Une augmentation de la température entraîne donc aussi celles de l’énergie interne et des vibrations de chaque atome. Étant donné qu’un atome est d’autant plus mobile que ses vibrations sont nombreuses, une température plus élevée se traduit aussi par une réduction de la viscosité. Comme on peut le voir dans l’illustration ci-contre, cette réduction est extrêmement efficace car elle touche à l’ensemble de la structure du liquide. À titre d’exemple, une augmentation de la température de 1100 à 1250 °C
correspond à une diminution de la viscosité de plus de mille fois dans le cas d’un magma de composition andésitique, et de plus de dix mille fois dans celui d’un magma de composition rhyolitique.

Le rôle de la présence des cristaux

La présence de cristaux fait obstacle à l’écoulement du liquide magmatique dans la mesure où les couches de liquide en mouvement sont contraintes de s’adapter à leur présence en se déformant, avec pour conséquence une augmentation du frottement entre chaque  couche. Il s’ensuit que la présence de cristaux augmente la viscosité du magma et que celle-ci sera d’autant plus importante que le sera la présence lié de cristaux. Par exemple, la viscosité d’un magma contenant 35% de cristaux sera 10 fois plus élevée que celle du même magma à la même température, en l’absence de cristaux.



Le rôle de la présence de bulles de gaz

Les bulles de gaz se comportent exactement comme les cristaux, à l’exception du fait qu’ils gardent la capacité à se déformer sous certaines conditions. Cela  lait une grande différence: en effet, s’il est vrai que les bulles de gaz contribuent à augmenter la viscosité du magma lorsqu’elles ne sont pas déformés par son écoulement, à l’inverse, si elles se déforment, le frottement des différentes couches du magma devient presque nul à leur niveau en raison de la très faible viscosité des gaz par rapport à celle du liquide magmatique. Dans ce cas, la présence de bulles de gaz produit donc l’effet inverse en réduisant la viscosité du magma. En règle générale, à conditions égales dans les autres paramètres, la capacité à se déformer d’une bulle de gaz sera d’autant plus grande que la viscosité du liquide magmatique est élevée et que le diamètre de la bulle d’origine est grand. Dans de nombreux cas on constate donc que les bulles de gaz ne se déforment pas et font augmenter la viscosité lorsqu’elles sont de petites dimensions, mais qu’elles produisent l’effet contraire quand elles sont plus grandes et en mesure de se déformer.

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