Il y a trente ans, sur les flancs d’un volcan de la chaîne de la Sierra Nevada en Californie, des arbres ont commencé à mourir en masse, étouffés à leurs racines par le dioxyde de carbone suintant des profondeurs de la montagne après une nuée de petits tremblements de terre.
La vague de décès d’arbres sur Mammoth Mountain, qui se trouve dans l’un des plus grands systèmes volcaniques actifs du pays, a incité les scientifiques à commencer à surveiller de plus près les émissions du volcan.
Aujourd’hui, des chercheurs dirigés par le géologue de l’Université de Stanford, George Hilley, ont fait une découverte surprenante dans le dossier de longue date : le flux et le reflux des émissions de dioxyde de carbone de Mammoth Mountain sont fortement liés au poids de la neige et de la glace au sommet de la Sierra Nevada, et à la quantité d’eau qui s’infiltre du niveau du sol dans la plomberie du volcan.
« Cela montre vraiment comment la Terre solide est couplée au climat et aux choses qui se passent à la surface », a déclaré Hilley, professeur de sciences géologiques à la Stanford’s School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth). « Les sécheresses peuvent changer la façon dont les volcans respirent. »
La recherche, publiée le 9 mars dans Lettres de recherche géophysiquesurvient au milieu d’un hiver sec qui a laissé le manteau neigeux californien bien en dessous de la moyenne pour cette période de l’année, avec moins d’une semaine restante dans la saison des pluies de l’État et aucune tempête de neige majeure dans les prévisions.
À la fin de ce siècle, les fonctionnaires de l’État prédire le manteau neigeux de la Sierra Nevada diminuera de 48 à 65 % par rapport à la moyenne historique du 1er avril. « Les changements dans l’hydrologie de la Terre dus au changement climatique pourraient en fait avoir un impact sur quelque chose comme le rythme auquel les gaz sont émis par les systèmes volcaniques », a déclaré Hilley.
Lac du fer à cheval
Hilley et ses coauteurs ont analysé les mesures des émissions de dioxyde de carbone prises toutes les 30 minutes pendant six ans à Horseshoe Lake, la zone de destruction des arbres la mieux étudiée de Mammoth Mountain. La montagne s’élève le long du bord sud-ouest de Caldeira de la longue valléeun cratère formé par une éruption de supervolcan il y a 760 000 ans.
Les résultats révèlent une réduction persistante de 20 % de la quantité de dioxyde de carbone s’échappant du sol au printemps 2017. Le ralentissement coïncide avec l’émergence de la région après une sécheresse intense et l’accumulation du plus grand manteau neigeux de la Sierra Nevada depuis des décennies.
L’étude s’appuie sur recherche par la volcanologue de l’USGS Jennifer Lewicki montrant que les émissions de dioxyde de carbone dans la zone de destruction des arbres du lac Horseshoe ont changé de façon saisonnière et sur plusieurs années pour des raisons sans rapport avec une éruption brassicole.
Cherchant une explication à ces variations, Lewicki et Hilley—avec le coauteur Curtis-Baden de Stanford – a développé des modèles mathématiques pour tester des mécanismes plausibles. La fonte des neiges et les précipitations peuvent éliminer le dioxyde de carbone qui pourrait autrement s’infiltrer du sol, par exemple. Mais leurs calculs montrent que Mammoth Mountain reçoit beaucoup trop peu de précipitations pour tenir compte des faibles niveaux de CO2 au printemps observés en 2017.
L’explication la plus probable des changements saisonniers des émissions de dioxyde de carbone de Mammoth Mountain est liée à une fissure souterraine, ou faille, qui, pour un œil exercé, est évidente dans les modèles de végétation et la topographie du paysage. Les changements dans la répartition des contraintes sur l’ensemble de la chaîne de montagnes semblent ouvrir et fermer la faille comme une vanne, ou comme les minuscules espaces entre les vieux planchers qui fléchissent sous le poids changeant.
À l’aide de données GPS et de mesures de la profondeur de la neige, les auteurs ont découvert que la force de compression sur la faille entre 2014 et 2020 avait généralement culminé en hiver alors que le manteau neigeux s’accumulait dans la Sierra Nevada et diminuait pendant les mois d’été sans neige. Les niveaux d’émission de dioxyde de carbone ont chuté pendant les périodes où le poids de la neige et de l’eau dans les montagnes a fléchi la croûte terrestre, serrant les roches de chaque côté de la faille de Mammoth Mountain.
L’une des limites de l’étude est qu’elle ne fournit pas de modèle physique du mouvement de la faille et de la manière dont le gaz la traverse. « Nous utilisons les changements de contrainte comme proxy pour l’ouverture et la fermeture d’un conduit », a déclaré Hilley. « Une étude intéressante exécuterait un modèle tridimensionnel de transport de gaz à travers un conduit que vous pourriez réellement ouvrir et fermer, puis exécuter ce modèle plusieurs fois pour voir si ses prédictions correspondent quantitativement aux mesures de dioxyde de carbone que nous effectuons. »
Prédire les futures éruptions
La capacité de faire la distinction entre les fluctuations de CO2 induites par le climat de celles induites par une éruption imminente permettra de meilleures prévisions des risques, qui sont basées en partie sur des signes que la montée du magma déclenche des tremblements de terre, déforme la surface du sol ou fait monter des gaz vers le haut. « L’alignement de ces trois éléments est généralement un indice qu’une éruption pourrait être sur le point de se produire », a déclaré Hilley.
Pendant des décennies, la déformation du sol et la sismicité autour de certains des volcans actifs des États-Unis ont été surveillées en continu à l’aide de GPS et de satellites, et les scientifiques peuvent visualiser les données en temps quasi réel. Mais ils ont une vision plus trouble du gaz volcanique. « Dans le passé, dans la plupart des volcans, les scientifiques devaient se rendre dans une zone volcanique avant une éruption, ou même entre les éruptions, et aller collecter ce gaz pour une analyse ultérieure. C’est un vrai truc de type Indiana Jones », a déclaré Hilley.
La difficulté de collecter les gaz volcaniques a entraîné des enregistrements limités, parfois avec un seul instantané du dégazage d’un volcan au cours d’une année donnée, ce qui rend difficile la détection des changements qui peuvent avertir d’une éruption ou la compréhension des modèles liés au système climatique de la Terre. .
La nouvelle étude offre un aperçu des informations à venir à mesure que les scientifiques auront accès à davantage de données sur les émissions volcaniques, en partie grâce au développement d’instruments moins coûteux et plus durables.
« L’espoir est que, dans les deux prochaines années, nous puissions avoir un enregistrement de ce que fait le gaz en temps quasi réel », a déclaré Hilley. « Lorsque vous regardez en détail, vous pouvez voir qu’il y a des fluctuations saisonnières qui n’ont probablement rien à voir avec l’état volcanique réel. »
George E. Hilley et al, Changements saisonniers et pluriannuels du dégazage du CO 2 à Mammoth Mountain expliqués par la vanne de faille pilotée par la terre solide, Lettres de recherche géophysique (2022). DOI : 10.1029/2021GL096595