La viscosité des magmas et des laves

Dans le cadre des exposés de Pétrologie, Dominique Rossier aborde ici une propriété importante des magmas et des laves, la viscosité : définition, facteurs influençant la viscosité des magmas et des laves, conséquence sur les types d'éruptions.

Définition de la viscosité dynamique

La viscosité dynamique mesure la résistance à l'écoulement d'un fluide. Soit un élément de fluide d'épaisseur d et de longueur l, reposant sur une surface fixe et soumis à une contrainte de cisaillement σ sur la surface supérieure. A un certain instant t, la contrainte déforme l'élément de la quantité e = Δ l / l.

La viscosité dynamique, symbolisée en général par la lettre η est le rapport entre la contrainte et la vitesse de déformation, η = σ / ( de / dt ). Elle s'exprime en Pa.s (pascals x secondes). La définition correspond à l'idée intuitive que l'on a de cette propriété : dans des conditions données, plus un fluide est visqueux plus il se déforme lentement.

Lorsque la viscosité ne dépend ni de la contrainte ni de la vitesse de déformation, elle est dite newtonienne et elle ne dépend que de la température. Dans le cas contraire, elle est dite non newtonienne.

Définition de la viscosité

Influence de la température et du pourcentage en silice sur la viscosité

Facteurs influençant la viscosité des magmas

Les trois diagrammes présentés dans l'exposé sont extraits de l'article de Pascal Richet dans le n° 67 du Dossier pour la Science. Ils montrent des variations considérables de la viscosité des magmas en fonction de plusieurs facteurs : la température, la composition, les gaz dissous et les bulles, les cristaux éventuels :

• Lorsque la température augmente, la viscosité diminue.
• A température donnée, les magmas acides (exemple la rhyolite) sont plus visqueux que les magmas basiques (exemple le basalte). La silice pure est un assemblage de tétraèdres {SiO₄}, le cation Si⁴⁺ occupant le milieu du tétraèdre et les anions O^2- les sommets. Ceux-ci présentent des liaisons pontantes fortes qui assurent la rigidité de la structure. Les silicates composant les magmas contiennent des éléments alcalins (Na, K) et alcalino-terreux (Mg, Ca). L'insertion de ces cations déstructure le réseau tridimensionnel, certaines liaisons pontantes sont remplacées par des liaisons plus faibles, ce qui facilite les déformations et diminue la viscosité.
• Un magma peut contenir jusqu'à 5% d'eau dissoute, et plus un magma est riche en eau dissoute, moins il est visqueux. L'eau agit de la même manière sur le réseau des tétraèdres {SiO₄} que les éléments alcalins ou alcalino-terreux. Le dégazage d'une lave s'accompagne d'une augmentation de viscosité. A l'inverse, la présence de bulles de gaz diminue la viscosité.
• Lorsque le magma monte, la température diminue et certains minéraux se cristallisent. A partir d'un certain pourcentage de cristaux, le magma devient non newtonnien et sa viscosité augmente considérablement.

Influence de l'eau sur la viscosité

Influence des cristaux sur la viscosité

Les types d'éruptions

Les types d'éruptions volcaniques dépendent essentiellement du type de magma et de sa viscosité.

Les styles hawaïen et strombolien correspondent à des magmas peu différenciés, pauvres en silice, fluides, arrivant en surface plus ou moins dégazés :

• Hawaïen : magma complètement dégazé arrivant en fontaines de lave. Exemple : Mauna Loa, à Hawaï.
• Strombolien : explosions intermittentes de faible intensité. Exemple : Piton de la Fournaise à la Réunion.

Les types vulcanien et plinien sont alimentés par des magmas moyennement différenciés :

• Vulcanien : colonne éruptive ne dépassant pas quelques milliers de mètres, quantité de magma de quelques km³ seulement. Exemple : Mont Vulcano (îles Eoliennes).
• Plinien : colonne éruptive alimentée en continu pendant plusieurs jours et s'élèvant à plusieurs dizaines de milliers de mètres de hauteur, émission de nuées ardentes, volumes énormes de ponce et de cendres jusqu'à 1 000 km³. Exemple : Vésuve en 79 après JC, Mont Saint Helens aux USA en 1980.

Le type péléen correspond à un magma très différencié et visqueux. Au cours de la montée, les gaz s'échappent partiellement, au travers des parois des conduits, un dôme s'édifie lentement mais peut exploser latéralement, avec émission de nuées ardentes. Exemple : Montagne Pelée en 1902.

Notons pour terminer, qu'un même volcan peut avoir au cours de sa vie des éruptions de nature différente.

Lecture recommandée

Deux articles du Dossier pour la Science "La Terre à coeur ouvert", n° 67, avril-juin 2010 :

• Volcans et styles éruptifs, par Georges Bourdon.
• La viscosité des laves : de l'atome au volcan, par Pascal Richet.