Les gaz volcaniques sont des substances volatiles libérées par un volcan ou une zone volcaniquement active. Les gaz volcaniques sont toujours impliqués dans les éruptions volcaniques, mais ils sont aussi souvent dégagés par les volcans à dégazage passif (dormants). Les substances volatiles sont des éléments ou des composés chimiques dissous dans le magma qui forment un gaz à une pression et une température relativement basses3.
La zone géothermique en Islande près du lac Myvatn est un bel endroit avec une odeur désagréable de sulfure d’hydrogène.
On croyait autrefois que chaque volcan avait son type particulier de gaz : dioxyde de soufre à l’Etna, chlorure d’hydrogène au Vésuve, dioxyde de carbone au Puracé (Colombie), etc. Dans les années 1850, un minéralogiste français, Charles Sainte-Claire Deville, a démontré que c’était faux3. Mais chaque volcan a néanmoins son propre caractère (mélange moyen de différentes espèces de gaz) qui résulte de la composition du magma, du cadre tectonique, de la profondeur de dégazage, des interactions avec les eaux souterraines et les systèmes hydrothermaux, de la composition de la croûte, etc.
Le constituant le plus important des gaz volcaniques est la vapeur d’eau (forme environ 90% de tous les gaz1) bien que la concentration soit plus faible (environ 60%) dans les gaz provenant directement des cratères3. L’espèce gazeuse la plus importante suivante est le dioxyde de carbone (CO2) qui constitue environ 10…40 % des gaz. Les composés soufrés que sont le dioxyde de soufre (SO2) et le sulfure d’hydrogène (H2S) sont également très importants. Les éléments chimiques Cl, F et Br sont présents sous forme d’acides (combinés avec l’hydrogène de l’eau pour former les acides chlorhydrique, fluorhydrique et bromhydrique). Ils sont également des constituants très courants, bien que leur composition soit très variable. L’hydrogène (H2), le monoxyde de carbone (CO), le méthane (CH4), le soufre (S2), l’azote (N2), l’ammoniac (NH3), l’oxygène (O2) et des gaz rares sont présents en plus petites quantités. De nombreux métaux sont également présents (Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Bi, Na, K) à l’état de traces. Ils sont principalement transportés sous forme de chlorures et de fluorures2.
Les gaz volcaniques à Hawaï sont riches en dioxyde de carbone et en dioxyde de soufre. Flanc du Kilauea entre le Pu’u O’o et la côte.
Dégazage du magma au cratère de la fosse (effondrement) Halema’uma’u à l’intérieur de la caldeira du sommet du Kilauea à Hawaii.
Paysage islandais près du volcan Krafla. Les roches au premier plan sont recouvertes de minéraux (soufre, gypse) précipités par les gaz volcaniques.
Les sources de gaz volcaniques
Il existe trois réservoirs principaux qui fournissent les composants volatils pour former les gaz volcaniques.
- Le manteau
- La croûte
- L’atmosphère & l’hydrosphère
La matière provenant du manteau domine si le volcan lui-même est alimenté par une matière provenant des profondeurs. C’est le cas du volcanisme de point chaud sous la croûte océanique. Un bon exemple est Hawaii. Ces volcans émettent des mélanges de gaz relativement riches en composés de soufre et de carbone mais, surtout, ils contiennent peu d’eau. C’est la raison même qui explique pourquoi Hawaï et les volcans insulaires similaires éloignés des marges continentales ne sont pas très explosifs – ils n’émettent pas beaucoup de vapeur d’eau. C’est l’accumulation de gaz à l’intérieur de l’édifice volcanique qui entraîne un comportement explosif.
Les gaz volcaniques des volcans situés sur les marges continentales (les volcans de la ceinture de feu entourant le bassin du Pacifique, par exemple) sont de composition plus versatile et variable car ils incorporent également le matériau crustal qui peut avoir une composition très variable. Ces volcans sont généralement de nature explosive car leur magma est épais (la composition plus siliceuse entrave la libération de substances volatiles) et il contient également beaucoup d’eau qui se dilate plus de 1000 fois lorsqu’elle passe de l’état dissous (au sein du magma) à la phase gazeuse séparée.
Mudpot est un type de fumerolle. Les gaz volcaniques acides corrodent les roches environnantes, les transformant en une bouillie aqueuse qui semble bouillir à cause du bouillonnement. Cette vasière se trouve en Islande près du volcan Krafla.
D’où vient cette eau ? Il y a deux sources principales. Ce type de volcanisme est associé aux zones de subduction. Les dalles de croûte océanique subduites entraînent des minéraux hydratés sous la croûte continentale où ils commencent à libérer de l’eau en raison de l’immense pression. Cette eau contribue en outre à faire fondre les roches qui commencent à monter sous forme de magma liquide et finissent par créer une chaîne de volcans sur la marge continentale (comme les Cascades, par exemple). Cette eau faisait à l’origine partie du système hydrosphère-atmosphère, mais comme elle est passée par le processus de subduction, elle n’est plus considérée comme en faisant partie. Une autre source importante d’eau dans les gaz volcaniques est l’eau météorique. Il s’agit essentiellement d’eau de pluie, soit directement, soit indirectement par le biais de masses d’eau contenant de l’eau de pluie. Le système hydrosphère-atmosphère ne fournit pas seulement de l’eau mais aussi des substances dissoutes dans l’eau (oxygène et autres gaz atmosphériques). Le mélange particulier de gaz volcaniques dépend donc fortement des conditions locales.
Il convient également de mentionner que le gaz volcanique (ou une partie de celui-ci) ne doit pas nécessairement résulter du dégazage du magma. Il peut s’agir simplement d’eaux souterraines chauffées par le volcanisme voisin. Les gaz volcaniques peuvent être libérés par les cratères des sommets mais aussi par les fissures des flancs (fumerolles) ou ils peuvent être libérés de manière diffuse à travers le sol (notamment les espèces non réactives comme le CO2 et le He3).
Sulphur Springs, Sainte-Lucie. Sainte-Lucie est une île volcanique située au sommet d’une zone de subduction.
L’influence des gaz volcaniques sur le climat et l’environnement
Les scientifiques étudient évidemment les gaz volcaniques pour avoir un aperçu du fonctionnement interne d’un volcan afin de mieux se préparer aux futures éruptions. Mais il est également très intéressant d’étudier les gaz car ils ont immensément influencé la composition de l’atmosphère terrestre (et aussi de l’hydrosphère) dans le passé et continuent à le faire dans le futur également.
L’atmosphère et l’hydrosphère de la Terre influencent dans une large mesure la composition des gaz volcaniques mais il est intéressant de noter que l’atmosphère et l’hydrosphère sont toutes deux les résultats du dégazage du magma. Tous les constituants majeurs (azote, dioxyde de carbone, eau) de ces géosphères sont d’origine volcanique (à l’exception notable de l’oxygène). La Terre primordiale était probablement entièrement fondue. Dès qu’elle s’est refroidie, l’eau a commencé à s’accumuler dans les zones basses sous forme d’eau de pluie condensée à partir des nuages de vapeur volcaniques. L’atmosphère primordiale était également très riche en dioxyde de carbone. Le niveau actuel de 0,04 % peut nous sembler important car il y a seulement quelques décennies, il était de 0,035 %. Il s’agit d’un changement majeur et très rapide, très probablement causé par l’activité humaine. Mais la Terre a connu des périodes où le niveau de CO2 était plusieurs dizaines de fois plus élevé. Même au cours de l’histoire relativement récente (récente par rapport à l’ensemble des 4,5 milliards d’années de l’histoire de la Terre), lorsque les dinosaures régnaient sur la Terre, il y avait au moins cinq fois plus de CO2 dans l’air. Par conséquent, la température moyenne de l’air était également nettement plus élevée (environ 22 °C) en raison d’un effet de serre plus intense.
Soufre précipité à partir de gaz volcaniques en Islande, volcan Krafla. Les composés soufrés (en particulier le dioxyde de soufre) sont susceptibles d’affecter gravement le climat et l’environnement.
Les gaz volcaniques sont donc des variables très influentes modifiant le climat de la Terre, mais la manière dont ils l’influencent est loin d’être simple et directe. Le dioxyde de carbone et de nombreux autres composés volatils libérés par les volcans (comme la vapeur d’eau et le dioxyde de soufre) sont de puissants gaz à effet de serre, mais certaines substances ont l’effet inverse de refroidissement. Le SO2, en particulier, se distingue par son rôle à la fois refroidissant et réchauffant. Il réchauffe l’atmosphère en tant que gaz à effet de serre mais il forme également des aérosols d’acide sulfurique qui peuvent rester dans la stratosphère pendant plusieurs années et avoir un effet clairement refroidissant en tant que brume qui rétrodiffuse le rayonnement solaire entrant.
La grande majorité des éruptions volcaniques ont un effet très limité et local sur le climat et l’environnement. Cela est dû au fait que (1) la quantité de gaz libérée est faible, (2) l’éruption ne dure pas assez longtemps, (3) le nuage d’éruption n’atteint pas une hauteur suffisante pour pénétrer dans la stratosphère. Ce dernier point est très important car les aérosols troposphériques seront lessivés en une semaine. La durée est également très importante car, pour avoir un effet durable sur l’environnement, le système climatique océan-atmosphère doit s’équilibrer avec les perturbations volcaniques. Cela ne va pas se produire si l’éruption ne dure que quelques mois même si elle est relativement puissante.
Zone géothermique près de Strokkur (le geyser le plus célèbre d’Islande) en Islande.
L’effet le plus grave sur le climat provient d’éruptions basaltiques à très grande échelle et de longue durée qui sont connues comme des événements de basalte inondé. Pourquoi l’éruption doit-elle être basaltique ? Une éruption silicique commune ne contient-elle pas plus de gaz volcaniques ? Oui, c’est vrai, mais ces gaz, qui sont à l’origine de puissantes éruptions siliciques, sont en grande partie composés de vapeur d’eau qui n’aura pas d’effet dévastateur sur le climat et l’environnement de la Terre. Les éruptions basaltiques, en revanche, contiennent davantage de dioxyde de soufre, qui est beaucoup plus susceptible de causer des dommages environnementaux à long terme. Les événements basaltiques d’inondation sont si influents en raison de la puissance, de la longue durée et de beaucoup de soufre.
De nos jours, les scientifiques établissent de plus en plus de liens entre les formations de basalte d’inondation et les principaux événements d’extinction de l’histoire de la Terre. L’extinction des dinosaures il y a 65 millions d’années a longtemps été associée à l’événement d’impact sur la péninsule du Yucatán qui a sans doute eu un effet négatif sur l’environnement. En revanche, il est peu probable qu’il soit le seul coupable, car il s’agissait d’un événement instantané dont les effets ont été de courte durée. Il semble plus probable qu’il faille des centaines, voire des milliers d’années, pour modifier constamment la chimie océan-atmosphère et provoquer des extinctions massives. Cette hypothèse est confortée par le fait que l’extinction de la fin du Crétacé, qui a mis fin au règne des dinosaures, est associée à l’inondation du Deccan par des basaltes. Un autre événement d’extinction beaucoup plus grave, il y a 250 millions d’années, est également coévalent avec une formation majeure de basalte d’inondation en Sibérie.
Si les volcans peuvent être responsables de grands événements d’extinction, ils ont aussi probablement sauvé la vie sur Terre au moins une fois. Il y a environ 650 millions d’années. Cette période de l’histoire de la Terre est connue comme l’événement Terre Boule de neige. La majeure partie de la Terre était recouverte de glace, ce qui augmentait considérablement le pouvoir réfléchissant (albédo) de la Terre et contribuait à la refroidir encore plus. Cette situation ne devrait pas permettre de revenir à des conditions normales. Cependant, d’une manière ou d’une autre, cela s’est produit. Probablement à cause de l’intensification de l’activité volcanique qui a pompé une grande quantité de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.
Les volcans et les gaz volcaniques en particulier ont un rôle important et compliqué dans la modification du climat et de l’atmosphère. Nous savons que le niveau de fond actuel du volcanisme ne contribue pas de manière significative au réchauffement climatique ou à la modification de l’environnement de la Terre. Mais l’histoire de la Terre a clairement démontré qu’ils ont le pouvoir de le faire.
Fumarole sur le lac de lave Kilauea Iki à Hawaï.
Dangers associés aux gaz volcaniques
Les gaz volcaniques semblent être un danger relativement mineur si l’on compte les victimes en gardant à part les décès causés par les courants de densité pyroclastique (PDC). Les PDC sont très meurtriers mais ce phénomène est généralement traité séparément car il ne s’agit pas seulement d’un nuage de gaz enflammé mais aussi d’un mélange de matériaux rocheux de tailles diverses. Bien que le nombre total de décès causés par les gaz volcaniques soit relativement modeste, l’asphyxie n’est certainement pas une façon agréable de mourir. Quels sont alors les dangers et que peut-on faire pour les éviter ?
La plupart des constituants courants des gaz volcaniques sont dangereux pour les humains et les autres formes vivantes à des concentrations élevées. Les principaux responsables de décès ou de problèmes de santé sont le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre, le sulfure d’hydrogène, l’acide chlorhydrique, l’acide fluorhydrique et l’acide sulfurique.
Gaz volcanique s’élevant de la caldeira sommitale du volcan Kilauea à Hawaï.
Dioxyde de carbone
Le dioxyde de carbone est inoffensif en petites quantités (0,04% de l’air est du CO2) mais peut provoquer un coma quasi instantané s’il est suffisamment concentré. Le CO2 est inodore et incolore et plus dense que l’air. Cela signifie que le danger est difficile à détecter, mais nous devons nous assurer que dans les zones d’activité volcanique, nous réfléchissons à deux fois avant d’aller explorer des trous, des cratères ou des dépressions, car ils peuvent être remplis de ce gaz. Le dioxyde de carbone a causé un grand nombre de victimes associées aux gaz volcaniques. Le cas le plus célèbre est celui du lac Nyos, qui a tué 1700 personnes au Cameroun. Je n’entrerai pas dans les détails, d’une part parce que cet événement est déjà bien décrit ailleurs, et d’autre part parce qu’il s’agit d’un événement remarquable mais en aucun cas répandu. Il n’y a que deux cas (les événements du lac Nyos et du lac Monoun voisin en 1986 et 1984, respectivement) où une libération aussi rapide et à grande échelle de dioxyde de carbone par les lacs est documentée4.
Le dioxyde de carbone est également mortel pour la végétation bien qu’en plus petites quantités, toutes les plantes vertes en ont besoin pour la photosynthèse. Même les grands arbres peuvent être tués s’il y a tellement de CO2 dans le sol que les racines des arbres ne peuvent plus absorber d’oxygène. La zone la plus célèbre de ce type se trouve dans la forêt nationale d’Inyo, en Californie. Mon histoire personnelle, drôle et triste, liée à cet endroit est que, bien que je me considère comme un photographe amateur de tout ce qui est géologique, je n’ai apparemment pas pris de photo de cet endroit, bien que j’y aie vu de mes propres yeux ces arbres desséchés. Cela arrive, je suppose, surtout si vous êtes assez stupide pour penser que les arbres morts n’ont rien à voir avec la géologie.
Dioxyde de soufre
Le dioxyde de soufre a une odeur distincte fortement pénétrante qui est détectable déjà à des concentrations aussi faibles que 1 ppm (une partie par million). Je me souviens d’un souffle sur les flancs du Kilauea, près de la lave en écoulement, qui était si fortement irritant pour mon nez qu’il m’a fait instantanément tourner et courir. C’était l’odeur du SO2 en concentration bien supérieure à 1 ppm. Peut-être l’avez-vous ressentie également. En allumant une allumette trop près de votre nez, vous pouvez ressentir une sensation de brûlure et de désagrément qui est causée par le même composé de soufre. Le dioxyde de soufre réagit avec l’eau dans l’air pour former de l’acide sulfurique qui se précipite sous forme de pluies acides et qui rétrodiffuse également le rayonnement du Soleil, abaissant ainsi la température moyenne.
Les gaz volcaniques sont souvent riches en soufre, notamment les laves de composition mafique. Le minéral jaune vif est du soufre élémentaire. La fumerolle sulfureuse est connue sous le nom de solfatara. Sulphur Banks, Hawaii.
Sulfure d’hydrogène
Le sulfure d’hydrogène est un autre gaz toxique qui a aussi une odeur distincte et plutôt désagréable souvent associée aux œufs pourris. Cela, je le crains, n’est pas trop utile pour la plupart des gens, car les œufs pourris semblent être une curiosité difficile à trouver de nos jours. Quoi qu’il en soit, ce composé sulfureux et son odeur sont facilement perceptibles et très courants dans les zones d’activité volcanique. Ce gaz est également plus lourd que l’air et a tendance à se concentrer dans les zones basses. En 1971, au Japon, six skieurs alpins sont morts presque instantanément en traversant une dépression remplie de ce gaz4. De nombreux autres décès liés aux gaz volcaniques sont aussi directement associés à ce composé soufré.
HCl et HF
Les fumées provenant des zones volcaniques sont acides non seulement à cause de l’acide sulfurique mais aussi à cause du chlorure d’hydrogène et du fluorure d’hydrogène. Le premier est le principal constituant de l’acide gastrique et est également transporté dans une petite bouteille par tout géologue de terrain sérieux car il constitue un test facile pour les roches carbonatées (pour déterminer s’il s’agit de calcaire ou de dolomie). Le HCl n’est pas vraiment une menace très sérieuse pour nos vies (bien qu’il ait causé des décès, bien sûr) mais il contribue aux pluies acides, cause des problèmes respiratoires et est irritant pour les yeux. À Hawaï, la brume de lave (ou laze) se forme lorsque la lave en fusion qui s’écoule vers la mer déclenche une réaction chimique entre les ions de sel dissous dans l’eau de mer et l’eau, ce qui donne de l’acide chlorhydrique. L’acide fluorhydrique (HF) est également utilisé par les géologues, mais cette fois en laboratoire, dans des conditions soigneusement contrôlées, car cette substance est vraiment désagréable. Elle est extrêmement irritante pour la peau et les brûlures guérissent lentement. Le contact avec les yeux provoque de graves brûlures et la cécité s’il n’est pas retiré immédiatement à l’eau courante.
Lava laze (lave + brume) à Hawaï. Ce nuage de fumée est composé de vapeur d’eau mais il contient aussi beaucoup d’acide chlorhydrique. Il s’élève de l’endroit où la lave s’écoule sur la mer depuis un tunnel de lave.
L’acide chlorhydrique se forme lorsque l’eau de mer réagit avec le sel (chlorure de sodium) dissous en son sein.
Alors, que pouvons-nous faire pour éviter les dangers liés aux gaz volcaniques. C’est très simple. Restez loin des volcans et rien de mauvais n’arrive. Cependant, si ce n’est pas ce que vous vouliez entendre, alors je recommande d’éviter définitivement les zones basses où les gaz denses peuvent s’accumuler et aussi d’essayer de faire attention à la direction du vent. Essayez de rester au vent (upwind) des sources de gaz volcaniques et si vous devez vraiment aller dans des endroits vraiment dangereux alors vous savez déjà, je l’espère, ce que vous faites parce que vous êtes un volcanologue professionnel avec un bon masque à gaz et des vêtements de protection.
Zone géothermique en Islande près de Viti Maar avec des mares de boue et du soufre jaune.
Fumarole boueuse (mudpot) en Islande.
Un autre mudpot en Islande.
1. Jackson, J. A. (1997). Glossaire de géologie
2. Gerlach, T. M. (1999). Gaz volcaniques. In : Encyclopedia of Geochemistry (Encyclopedia of Earth Sciences Series)
3. Delmelle, Pierre & Stix, John (1999). Volcanic Gases. In : Encyclopédie des volcans
4. Williams-Jones, Glyn & Rymer, Hazel (1999). Dangers des gaz volcaniques. In : Encyclopédie des volcans