La lave se décline en deux "saveurs". Les scientifiques ont peut-être enfin compris pourquoi

Lors de vacances en famille en 2018, Jenny Suckale se promenait sur une vieille coulée de lave hawaïenne lorsqu’un changement brusque dans les roches noires de jais a attiré son attention. D’un côté, il y avait le type de lave lisse et ondulante appelé pahoehoe (prononcé pah-hoy-hoy); de l’autre était le type pointu et dentelé connu sous le nom de AA (prononcé ah-ah). Depuis ce jour, une question faussement simple a été posée à Suckale, géophysicien à l’Université de Stanford: qu’est-ce qui cause la transformation spectaculaire de la texture, observée dans les laves du monde entier?

Au fil des ans, les scientifiques ont pointé du doigt une multitude de coupables possibles: la vitesse d’une coulée, la pente du sol sur laquelle elle suinte ou la quantité de lave en éruption. Mais aucun facteur unique n’a expliqué ce changement. Maintenant, en modélisant la dynamique des coulées de lave, Suckale et ses collègues ont offert une autre explication: la transition abrupte pourrait être déclenchée par un barattage chaotique dans le flot de roche en fusion, a rapporté l’équipe le mois dernier dans Geophysical Research Letters.

Comprendre comment pahoehoe se transforme en aa est plus qu’une simple curiosité scientifique, car les deux types de lave se déplacent à des vitesses différentes et présentent des dangers distincts. Bien que les scientifiques soient doués pour prédire où va la lave dans l’ensemble, la vitesse et la distance parcourues par la lave est un problème beaucoup plus délicat. « Être capable de cartographier cette transition entre les types de flux contribuerait grandement à résoudre ces questions », explique Leif Karlstrom, spécialiste des sciences de la Terre à l’Université de l’Oregon, qui ne faisait pas partie de l’équipe d’étude.

Pour le nouveau modèle, Suckale et ses collègues se sont inspirés d’une expérience menée il y a près d’un siècle par le géologue O. H. Emerson de l’Université d’Hawaï à Manoa. Emerson a pulvérisé un peu de pahoehoe durci d’une éruption du volcan Kilauea à Hawaii en 1920 et a chauffé la roche en poudre dans un four jusqu’à ce qu’elle soit chauffée à blanc et suintante comme du miel. Il a ensuite éteint le four et agité le matériau fondu avec une tige métallique.

En quelques minutes, il s’était solidifié en une texture épaisse semblable à celle d’un aa. Comme remuer une tasse de thé, mélanger la lave a accéléré le refroidissement et a apparemment déclenché la formation d’aa, explique l’auteur principal de l’étude, Cansu Culha, boursier postdoctoral à l’Université de la Colombie-Britannique.

Les chercheurs se sont demandé si le mélange pourrait également déclencher la transition dans la nature, par un phénomène appelé instabilité de cisaillement. Lorsque deux couches d’une substance en écoulement se déplacent à des vitesses différentes, la couche la plus rapide traîne le long de la couche plus lente au fur et à mesure qu’elle passe. « Ils se frottent simplement dans le mauvais sens », dit Suckale. Le résultat est que toutes les ondulations le long de la frontière entre les couches sont amplifiées en ondes turbulentes.

Pour tester l’idée, les chercheurs ont conçu un modèle de dynamique des fluides pour simuler le comportement d’une lave virtuelle divisée en deux couches: un sommet plus froid et plus collant assis sur un fond plus chaud et plus rapide. À la limite entre les deux couches, ils ont introduit de petites ondulations, qui se forment inévitablement en raison d’imperfections communes dans la nature, comme des bosses sous-jacentes sur le sol ou des bulles dans la lave.

L’équipe a ensuite testé la stabilité de la lave sous une gamme de vitesses, de viscosités et d’épaisseurs de couche. L’analyse a révélé que dans de nombreux cas, les changements dans l’environnement, tels que la pente raide ou l’augmentation des taux d’éruption, ont amplifié les ondulations, ce qui pourrait conduire à un mélange incontrôlé et à la formation probable d’aa. « Cela peut devenir incontrôlable assez rapidement », dit Suckale.

Le nouveau modèle peut aider à expliquer la variété des conditions précédemment observées pour déclencher la transition pahoehoe-aa – ou pourquoi cela ne se produit parfois pas du tout. « C’est une possibilité très excitante », déclare Arianna Soldati, volcanologue à la North Carolina State University, qui ne faisait pas partie de l’équipe d’étude.

Mais d’autres tests sont nécessaires pour montrer que le modèle reflète la réalité sous la surface grésillante de la lave. Parce que la lave est difficile à étudier directement, une possibilité serait de tester le modèle en laboratoire en utilisant un analogue pour la roche fondue comme la cire, suggère Karlstrom.

Pourtant, la nouvelle recherche souligne la valeur des études axées sur la mécanique de base. « Je pense que c’est là que nous avons un aperçu des processus qui sont à l’origine de ces phénomènes naturels à grande échelle », explique Karlstrom.