L’Antarctique a longtemps été une terre de mystère et d’exploits héroïques rendue célèbre par les explorations de James Ross, Roald Amundsen, Robert Scott et Ernest Shackleton. Pièce clé du puzzle pour comprendre l’évolution continentale mondiale, l’Antarctique contient des exemples qui définissent le spectre des processus volcaniques de la Terre. Maintenant, une étude conjointe de l’Université de l’Utah et de l’Université de Canterbury en Nouvelle-Zélande montre comment le CO2 en profondeur aide le magma à éviter d’être piégé profondément dans la Terre et lui permet d’atteindre et de s’accumuler à la surface.
L’étude, publiée dans Communication Nature « élargit notre compréhension des sources et du transport de divers types de magma et de gaz volatils vers la surface », déclare Phil Wannamaker, deuxième auteur de l’étude et géophysicien à l’Institut énergétique et géoscientifique de l’Université de l’Utah.
« Le mont Erebus est un exemple de volcan de rift dominé par le CO2, un complément aux volcans d’arc plus connus du Pacifique et d’ailleurs, dominés par le H2O », ajoute le co-chercheur néo-zélandais Graham Hill, auteur principal de l’étude.
« Comprendre à la fois les volcans H2O et CO2 est important pour calculer le budget de ces gaz volatils profondément dans la terre qui implique l’injection de matière dans le manteau terrestre et son retour à la surface pour tout recommencer », explique Wannamaker.
Wannamaker et Hill ont mené l’étude avec les anciens de l’Université de l’Utah John Stodt et Michal Kordy et la scientifique associée Virginie Maris; les géophysiciens Paul Bedrosian du United States Geological Survey, Martyn Unsworth de l’Université de l’Alberta et Yasuo Ogawa de l’Institut de technologie de Tokyo et le volcanologue principal Phil Kyle de l’Institut des mines et de la technologie du Nouveau-Mexique. Parmi les coauteurs figuraient également Erin Wallin de l’Université d’Hawaï et l’alpiniste Danny Uhlmann, qui étudie actuellement la géologie à l’Université de Lausanne.
Ces autres volcans
Le mont Erebus est le seul volcan actif de l’Antarctique. Lui et son volcan compagnon endormi, le mont Terror, ont été nommés d’après les navires d’exploration de Sir James Ross, qui les ont découverts ainsi que les montagnes transantarctiques en 1841. Le mont Erebus a été escaladé pour la première fois par Sir Ernest Shackleton et parti en 1908.
Erebus illustre une famille de volcans à composition chimique alcaline, avec des laves relativement riches en sodium, potassium et autres éléments dont des éléments de terres rares, tout en étant relativement pauvres en silice.
Les volcans alcalins sont très différents des volcans tels que ceux de la chaîne des Cascades s’étendant du nord de la Californie à l’Alaska en passant par la Colombie-Britannique. Les Cascades se trouvent à un endroit où les plaques tectoniques de la Terre se poussent les unes vers les autres, la croûte de l’océan étant forcée sous la croûte du continent. Au fur et à mesure que cette croûte océanique s’enfonce dans la Terre et fond partiellement, l’eau contenue dans les roches fait partie de la fonte et est la «volatile» dominante, ou molécule qui s’exsout facilement ou jaillit d’une solution comme le pétillement d’une boisson gazeuse.
Ce magma en évolution monte dans et à travers la croûte, mais ne parvient généralement pas à la surface car, à mesure que la pression de la croûte sus-jacente diminue avec l’ascension, l’eau jaillit, parfois de manière explosive comme dans le cas du mont St Helens en 1980 ou Mont Lassen en 1912. Le magma restant s’immobilise et gèle sur place, généralement à une profondeur d’environ trois miles (cinq kilomètres).
Mais le volcan Erebus sur l’île de Ross, en Antarctique, se trouve dans une zone de rift continental. Le rift continental se produit lorsque la croûte et le manteau terrestres se séparent. L’ouest de l’Utah est un exemple de zone de rift. Il se trouve à la limite orientale de la province géologique du Grand Bassin, qui se divise activement, et s’étire lentement d’est en ouest. Erebus se trouve le long de la marge du système de rift antarctique occidental, né il y a des dizaines de millions d’années et se poursuivant aujourd’hui.
Les magmas de la zone de rift contiennent également des substances volatiles provenant du recyclage de la croûte océanique et des sédiments, mais ceux-ci sont beaucoup plus anciens et sont libérés à la surface par le processus de rift. Au lieu de l’eau, les volatils de ces magmas sont dominés par le CO2.
Erebus possède également un lac de lave persistant, une caractéristique classique d’un volcan de rift évolué et riche en CO2. Mais les lacs de lave, également illustrés par le volcan Nyiragongo en Afrique de l’Est, et d’autres, ne se trouvent pas dans les volcans à arc comme les Cascades et montrent qu’il doit y avoir quelque chose dans les volcans du rift qui permet au magma d’atteindre la surface de manière relativement pacifique.
Imaginer le magma dans la Terre
Il n’est pas pratique de collecter des échantillons de roches à des profondeurs de plus de quelques kilomètres sous la surface, de sorte que les chercheurs s’appuient sur des méthodes géophysiques pour déduire des structures et des processus à de plus grandes profondeurs. Ceci est similaire à la tomodensitométrie du corps humain. Les techniques géophysiques les plus largement appliquées et les plus connues sont la sismique, où les ondes sonores sont utilisées pour l’imagerie interne. Ceci est largement appliqué, par exemple, dans l’exploration pétrolière et gazière. Cependant, les sources sismiques naturelles qui peuvent pénétrer profondément dans la Terre sont rares autour du volcan Erebus, et les images les utilisant n’ont été dérivées qu’à de faibles profondeurs.
Hill, Wannamaker et ses collègues ont utilisé une méthode appelée sondage magnétotellurique. Le sondage magnétotellurique utilise les ondes électromagnétiques naturelles générées par le soleil et par les éclairs. La plupart de ces ondes voyagent dans l’air, mais « une partie pénètre dans la Terre, se disperse sur les structures rocheuses d’intérêt et revient à la surface, où nous pouvons les mesurer » à l’aide de « voltmètres » sophistiqués, explique Wannamaker.
Lorsque les ondes électromagnétiques traversent l’intérieur de la Terre, elles se déplacent plus rapidement ou plus lentement selon la mesure dans laquelle la roche et d’autres matériaux conduisent ou résistent à l’électricité. Le magma est conducteur, il peut donc être détecté par cette technique.
Ce n’est pas la première incursion géophysique dans l’Antarctique pour le groupe de Wannamaker. Avec U alun et co-auteur, le Dr John Stodt, ils ont été les pionniers de la technique des mesures magnétotelluriques haute fidélité sur les calottes glaciaires polaires. En plus des études dans le centre-ouest de l’Antarctique et au pôle Sud, Wannamaker a mené une campagne multi-saisons à travers le Montagnes transantarctiques centrales montrant comment ces montagnes ont été soulevées. Leur technique est maintenant utilisée par d’autres chercheurs dans les régions polaires de l’Arctique et de l’Antarctique.
De 2014 à 2017, Wannamaker et ses collègues ont effectué des mesures sur 129 sites magnétotelluriques couvrant l’île de Ross d’Erebus. Les modèles de rayonnement électromagnétique rétrodiffusé de toutes les stations ont ensuite été assemblés par un programme informatique pour créer une image de la croûte terrestre et du manteau supérieur à travers l’île et le volcan jusqu’à une profondeur d’environ 60 miles (100 kilomètres).
Leurs données magnétotelluriques montrent un conduit abrupt de faible résistivité électrique provenant du manteau supérieur – la source de magma. Mais le conduit prend un virage latéral prononcé dans la croûte profonde avant d’atteindre le stockage magmatique moins profond et le lac de lave sommital. « Nous interprétons le virage latéral comme représentant une » vanne de défaut « structurale contrôlant le flux épisodique de magma et de gaz CO2, qui reconstituent et chauffent la chambre d’évolution du magma phonolite de haut niveau », explique Wannamaker. La phonolite est le type de roche formé par le magma d’Erebus.
Cette valve magmatique est probablement formée par l’intersection de failles nord-sud et est-ouest, puisque des failles dans la même orientation est-ouest sont connues pour exister dans la zone autour d’Erebus, et fournissent le chemin du magma vers la surface.
Contrairement aux volcans arc riches en H2O des Cascades et du Pacifique, l’Erebus dominé par le CO2 montre les structures qui permettent au magma de monter jusqu’au lac de lave du volcan, puisque le magma ne s’arrête pas dans la croûte comme les magmas dominés par l’eau. .
« Comprendre les contrôles et les voies de transport pour ce type de volcan, dominé par le CO2, nous révèle les échelles et les volumes de transport volatil sur la Terre », explique Wannamaker. « De tels volcans ailleurs sont des hôtes importants pour les gisements minéraux essentiels tels que les terres rares, de plus en plus importants pour les besoins futurs en ressources des sociétés. »
Le contrôle structurel transcrustal des systèmes magmatiques extensionnels riches en CO2 révélé au mont Erebus en Antarctique, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-30627-7