Parcours scientifique
Travaux scientifiques
L'analyse des gaz
Étude des gaz
Expérimentations et innovations métrologiques

Bibliographie et Filmographie


Parcours scientifique de Tazieff pour l'étude des gaz volcaniques.
par François Le Guern
Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement CNRS - CEA

Haroun Tazieff est mort à son domicile parisien le 2 février 1998 des suites d'une longue maladie. Au cours de la dernière guerre, il fut résistant dès la première heure. Dans son œuvre scientifique, il a inventé la volcanologie moderne, suscitant de nombreuses vocations, et contribué à la conception de la théorie des plaques tectoniques par dix ans d'exploration en Afar. Il a recherché avec acharnement à promouvoir toutes les méthodes possibles afin de prévenir les catastrophes naturelles. En particulier son action fut déterminante pour que soit prise en compte la construction parasismique dans les régions menacées par les tremblements de terre.
France Tazieff, sa femme, remercie ses amis, ses collaborateurs, la presse, la radio et la télévision de l'hommage qu'ils lui rendent avec chaleur et délicatesse, ainsi que ceux qui, proches ou lointains, prennent part à sa peine. Toutes correspondances peuvent être adressées par courrier à France Tazieff, 15 Quai de Bourbon 75004 Paris, ou par e-mail à Francois.Le-Guern@cfr.cnrs-gif.fr
Ses proches collaborateurs étaient réunis le 9 juin 1994 pour lui offrir deux tomes de ses œuvres scientifiques, reliées par Alexandre McBirney et illustrées par Pierre Bichet. Nous publions ici la préface :

Scientifique, boxeur, alpiniste, spéléologue, Haroun Tazieff a su nous entraîner sur le terrain où nous avons travaillé dans des conditions parfois extrêmes. Nous y sommes tous revenus et, pour certains d'entre nous, cette activité est même devenue notre métier. Pourquoi l'avons-nous suivi ? Est-ce la façon d'appréhender les phénomènes naturels tant par instinct que par logique scientifique ? Est-ce la pugnacité à défendre ses idées envers et contre tous ? Est-ce la confiance qu'il a su nous accorder en défendant des projets trop innovants pour être acceptés par « le système » ? Il nous a appris le vagabondage scientifique, se refusant à figer une recherche nécessitant des compétences et des collaborations multiples. L'étude des fluides volcaniques a été menée sous un angle dynamique: l'étude de systèmes a remplacé la mesure de concentrations. Les résultats obtenus ont ouvert le dialogue entre atmosphériciens, pétrologues, gîtologues, géophysiciens. Les méthodes développées ont trouvé des applications en milieu industriel. En ce qui concerne la prédiction des éruptions, ces progrès techniques n'ont rien apporté qui puisse vraiment se substituer à l'évaluation pondérée faite par un homme d'expérience.
Des nombreuses actions menées à bien par Tazieff, on retiendra tout particulièrement son effort pour établir un code de déontologie pour les volcanologues préoccupés par les problèmes difficiles des aléas et risques volcaniques. Avant qu'il n'en parle, personne n'avait sérieusement discuté du rôle des géologues dans l'interprétation des effets potentiels des éruptions volcaniques sur les populations. Grâce à son insistance, la communauté des géologues s'est finalement mise au travail et appliqué les règles professionnelles qu'il avait défendues avec véhémence. Ce sont ses contestations et protestations qui ont fait naître ces principes que l'on pourrait résumer en trois points :
- l'interprétation des aléas volcaniques doit être laissée aux spécialistes. La complexité du volcanisme et les difficultés d'anticiper le comportement individuel des volcans ne sont généralement pas appréciées des géologues qui n'ont pas eu l'occasion d'avoir à faire à un grand nombre de volcans actifs. Sans cette expérience, il est très facile d'évaluer faussement la situation.
- Tazieff a fait ressortir que la tâche du volcanologue n'est pas de prédire les événements éruptifs mais de prévoir les événements catastrophiques. Quelques éruptions volcaniques présentent des menaces très sérieuses. On doit être en mesure de les identifier sans négliger la possibilité d'un comportement inhabituel. Même l'observateur le plus expérimenté ne peut anticiper tous les développements possibles d'un grand volcan bien développé, particulièrement si l'histoire de son activité éruptive antérieure est mal connue, mais toutes les possibilités envisagées peuvent être pondérées et placées dans une perspective réaliste.
- Ceci est probablement le point le plus important: nous avons appris que le rôle du volcanologue professionnel est de conseiller l'autorité administrative. Les « pseudo experts » qui alimentent la presse d'informations erronées ont crée des paniques et des réactions exagérées et coûteuses. Lorsque ces « experts » donnent des avis contradictoires, le public aussi bien que les autorités perdent confiance en tous les volcanologues, et appliquent les mesures les plus conservatrices, même lorsqu'elles entraînent d'importantes dépenses inutiles. Les volcanologues entraînés peuvent aussi avoir des vues très différentes sur le sujet, et comme nous l'a appris la fameuse affaire « Bostok » (Journal of Volc. and Geotherm. Res.,4, 1978 -1), les arguments peuvent être « chauds ». Quoi qu'il en soit, nous discutons maintenant de ces choses sérieusement et grâce à la conduite de Tazieff, nous pouvons entrevoir le jour où un code déontologique pour volcanologues sera largement accepté comme celui des médecins, ingénieurs et autres professions au service du public.



Travaux scientifiques: observations sur le terrain

Jusqu'en 1960, Haroun Tazieff s'est intéressé à l'étude des roches volcaniques en rapportant toujours leur composition et leur aspect sur le terrain à l'observation qu'il avait faite sur le même site ou ailleurs de l'activité éruptive générant ce type de dépôts: les enseignements qu'il en a tirés ont alimenté de nombreuses publications qui font toujours aujourd'hui référence, comme le travail publié sur les ignimbrites de la Vallée des 10 000 fumées, ou les observations doublées de films qu'il a effectuées lors de l'éruption de Faial aux Açores. Cette approche n'a pas nécessité de mise au point de méthodes nouvelles, si ce n'est l'utilisation du film comme moyen d'archivage. Cette méthode dédaignée, voire même décriée, est sans égale en sciences naturelles. Reconsidérées plusieurs années après l'événement, ces images contiennent des informations pertinentes qui souvent n'avaient pas été retenues à l'époque (un dessin vaut mieux qu'un long discours).



L'analyse des gaz

Quelque peu déçu par les renseignements qu'apportaient la géologie et la pétrographie, Tazieff s'est tourné en 1960 vers l'analyse des gaz, à l'évidence moteurs de l'activité éruptive ; de plus, par leur transformation dans le sol ou l'atmosphère, ils devaient contenir des informations sur leur parcours - à condition bien sûr que l'on soit apte à les décrypter. Il a entamé alors une collaboration avec le laboratoire d'analyse des gaz de l'école de pharmacie: Marcel Chaigneau, analyste méticuleux, étudiait les échantillons que Tazieff récoltait au fond des cratères, voire même sous l'eau (Niragongo, Nouvelles Hébrides, Soufrière de la Guadeloupe), complétés par l'analyse des gaz dégagés en laboratoire par les magmas ou les laves récoltées dans ces mêmes cratères.
Ces résultats n'ont pas vieilli. Les méthodes n'étaient pas spécifiques à l'étude des gaz volcaniques. Déjà mise en œuvre par d'autres auteurs tels Brun, Grossmann Shepperd ou Mervin, elles donnaient toutefois des résultats très différents selon les volcans, les auteurs, les techniques employées, le lieu et le moment du prélèvement. Les gaz étaient alors prélevés dans des petites bouteilles vides ou contenant des réactifs. Les prélèvements étaient effectués en un point pendant un temps court, ils ne représentaient donc que quelques valeurs isolées sur une courbe dont on ignorait les variations. Dès cette époque, Tazieff a donc cherché des méthodes de dosages continues sur le terrain. Quelques systèmes industriels existent, mais ils ne sont pas directement adaptables à l'analyse des gaz volcaniques en continu; en effet, outre qu'ils sont émis à haute température, ils se condensent en solutions acides auxquelles l'acier inoxydable ne résiste pas; les gaz volcaniques contiennent plus de 90% d'eau qui noie l'analyseur en quelques minutes. Afin de régler ces problèmes, à partir de 1963 Tazieff, entouré de Tonani et Elskens (l'un théoricien, l'autre praticien), vont adapter puis développer des appareils totalement inventés pour les volcans, tubes analyseurs puis coco doseur baptisé du surnom de son inventeur : Yvan Elskens.
C'est de 1963 à 1967 que s'est fait le choix et la mise au point des méthodes avec l'utilisation de la chromatographie de terrain et la récolte d'échantillons sur phase stationnaire. En 1964, sont faites sur le terrain les premières mesures continues de température; en 1966, ils disposaient d'un système complet d’échantillonnage complété par un spectromètre de masse qui permettait une identification au laboratoire. Ces méthodes permettent pour la première fois de mesurer sur place en continu les variations de concentration de l'eau et du gaz carbonique corrélées avec l'activité au Stromboli et à l'Etna. Les pulsions de la vapeur d'eau et les fluctuations du rapport CO2/gaz permanents mènent à conclure à trois types d'apports conduisant à la composition des gaz fumerolliens : gaz magmatiques, contribution des terrains encaissants et introduction de gaz atmosphériques. Ils découvrent et analysent les dépôts sur les parois du tube de prélèvement, et mettent en évidence halite, hématite (expliqué comme venant du gaz mais pouvant également provenir de la roche ou du tube de prélèvement); ils découvrent également de la cassitérite (oxyde d'étain SnO2) sur une surface de basalte scoriacée, et trouvent des stalactites d'aphtitalite (K,Na)2 SO4 en cristaux.


Étude des gaz « in situ »

Ces méthodes ont permis la mise en évidence de variations à courte et longue période, quelques secondes à quelques minutes, dans les émissions de gaz magmatiques; les phénomènes de longue période de l'ordre de l'heure étant interprétés comme dûs à des variations atmosphériques. Le détail de composition dépend des réactions des gaz entre eux et des réactions des gaz avec la roche. Le débit global du gaz dépendra de la pression du gaz dans la cheminée, il va donc être utilisé pour tester la surveillance. Les fluctuations rapides intéressent des gaz plus chauds (300 à 1100 °C), les variations intéressent hydrogène, carbone et soufre sous leurs différentes formes, et semblent liées à la pression régnant à la source. C'est sur ces constatations que se sont développées les méthodes modernes de mesure de la contribution des volcans à l'atmosphère. Pour quantifier le débit d’énergie, il ne suffit pas de mesurer le débit de gaz: il faut également mesurer les flux de chaleur. Commence alors la conception d'appareils de mesure à distance ou même de capteurs disposés dans les jets volcaniques; ces mesures directes sont restées les seules de l'histoire de la volcanologie:
- 1968 voit l'obtention de mesures de fluctuations rapides des paramètres thermiques des gaz éruptifs : directement sur le terrain à l'Etna. Premières mesures de températures : 320°C à 1100°C, flux entre 2 et 30 watts au cm2, corrélées avec la vitesse du courant gazeux et la fréquence et l'intensité sonore. S'ensuivent une série de mise au point de capteurs destinés à des mesures directes dans les jets.
- 1969: ils obtiennent la thermographie infra-rouge sur un hornito à l'Etna, et mesurent à distance les variations de l’énergie émise à la Bocca Nuova, petite bouche éruptive de 7 mètres de diamètre. Ils développent ensuite une instrumentation complète pour l'étude des transferts de masse et d'énergie entre volcans et atmosphère: mise au point et réalisations sont effectuées au CEA à Saclay, par une équipe d'ingénieurs spécialisés dans les mesures sur veines gazeuses à haute température. Cet appareillage conçu spécialement est adapté aux différents types de jets et d'évents
- 1971: les appareils mis au point permettent une série de mesures sur les lacs de lave à l'Erta Ale, où il devient alors possible de quantifier les transferts de masse et d’énergie. Les fluctuations rapides de la phase gazeuse sont échantillonnées instantanément par des systèmes d'ampoules multiples ouvertes à quelques fractions de seconde les unes des autres, sur un système de canalisation à débit rapide disposé directement à l'émergence des gaz magmatiques.
Ces méthodes ont été appliquées à l’île de la Réunion et sur le lac de lave du Niragongo. Les résultats obtenus sur différents échantillons de gaz magmatiques aboutirent à un modèle permettant de déduire le risque éruptif du résultat des analyses de gaz. La disparition de l'hydrogène sulfuré devait nous avertir de l'approche du magma, faisant passer le risque de la simple explosion de vapeur (quelques kilomètres carrés) à la nuée ardente (quelques centaines de kilomètres carrés). Cette affirmation était déduite des résultats obtenus lors de l'analyse d’échantillons prélevés à la surface de lacs de lave, modèle puissamment renforcé de calculs théoriques sur l'équilibre des gaz entre eux et avec la roche qui les contient. Nos prélèvements quotidiens effectués au cratère nous donnaient une telle variation sans relation aucune avec les observations poursuivies quotidiennement sur les bouches éruptives qui, elles, aboutissaient à des conclusions tout à fait rassurantes. Nous avons tout de suite douté et remis en cause les méthodes de prélèvement puis le modèle d'interprétation.


Expérimentations et innovations métrologiques

Faisant une recherche bibliographique nous avons découvert un article publié par le professeur japonais Sadao Matsuo: partant du résultat des gaz obtenus par Jaggar au lac de lave du Kilauea à Hawaii, il recalculait la composition des gaz avant que le refroidissement puis le mélange avec l'atmosphère ne transforme l'échantillon. Selon ces calculs l'hydrogène sulfuré et l'anhydride sulfureux coexistaient dans les gaz magmatiques et c'est à la température de 120°C qu'étaient survenues les réactions modifiant la composition du mélange. Cette publication donnait les limites dans lesquelles nous devions travailler: l'appareil devait effectuer l'analyse à une température supérieure à 120°C. Aidé d'André Nohl, Pierre Bicocchi et Rose-Marie Chevrier, nous avons en quatre semaines réalisé un prototype dans une cocotte minute! Les premiers essais menés dans les fumerolles de Vulcano étaient couronnés de succès: comme notre prédécesseur Sicardi en 1943, nous trouvions les deux gaz en mélange. Nous savions donc que le modèle utilisé en Guadeloupe n'était pas bon, ce qui n'entachait en rien le diagnostic fait à l'époque et qui était basé sur l'ensemble des observations et mesures faites quotidiennement sur le terrain. Nous venions de mettre au point une nouvelle technique, mais en volcanologie la technique n'est que l'instrument, et celui que nous venions d'inventer devait faire ses preuves! Les gaz volcaniques sont émis à plus de mille degrés; notre appareil fonctionnant à 120°C, il ne fallait pas laisser échapper les réactions physiques et chimiques survenant entre ces deux températures. Dans une première série de tests, nous avons tenté de maintenir la température du gaz le plus chaud possible au plus près possible de la ligne de prélèvement: tubes Dewar, double paroi en tube inox parcouru par le gaz volcanique lui-même; peines perdues, nos tubes se couvraient toujours de dépôts solides riches en soufre, chlore, fluor, substances qui, échappant à l'analyse ou au prélèvement, faussaient le résultat obtenu. Ils permettaient une description des dépôts mais ne permettaient pas la reconstitution du système gazeux dans sa globalité. Dans un deuxième temps, nous avons équipé la paroi du tube de thermocouple, afin de pouvoir ainsi connaître la composition des dépôts condensés naturellement et leur température de mise en place. Ces données nous permettent de valider les calculs de modélisation en comparant les compostions et températures théoriques à celles réellement formées dans le milieu naturel. La méthode testée tant sur volcans qu'en milieu industriel s'est révélée fiable: elle permet de modéliser le comportement de 22 éléments chimiques dans un système de 1 000 composés. Il est donc possible de simuler les réactions survenant lors de refroidissement de gaz à haute température. A ce stade, nous maîtrisons bien la technologie de la mesure qui donne une vue d'ensemble de la composition des gaz volcaniques non plus pour 4 ou 5 éléments mais pour 22 éléments, avec une résolution permettant de passer en revue un millier de composés possibles.
La confrontation des résultats théoriques et de la réalité observée sur le terrain a permis de montrer l'absence de "trempe chimique", hypothèse sur laquelle sont basées toutes les interprétations faites aujourd’hui par les géochimistes volcanologues. Ces mesures nouvelles et leur interprétation ont montré par ailleurs qu'on ne peut rendre compte de la réalité par l'étude d'un seul élément chimique (plomb ou fluor) sans l'étudier dans le contexte global, c'est à dire analyser la totalité des composés majeurs émis par le volcan: ce que ne font pas aujourd'hui les spécialistes qui s'intéressent à la "pollution" atmosphérique par les volcans. Mais l'objectif du suivi des variations de la phase gazeuse en continu, réclamé par Tazieff dans les années 60, a vu son accomplissement en 1997: une équipe allemande du Geoforschung Zentrum, Postdam, ayant acquis l'un de nos appareils fabriqués sous licence CNRS, réussissait une mesure continue de la composition des gaz au sommet du volcan Merapi (Indonésie). Il reste toutefois à vérifier que les variations mesurées ne sont pas en réalité induites par le refroidissement et l'interaction dans le sol avant d’atteindre la surface, comme l'ont décrit Tazieff et ses coéquipiers dans les années 60. Ces développement instrumentaux concernant les mesures in situ sur les gaz et les magmas à la source restent aujourd'hui uniques, et sont d'une grande utilité afin de valider les observations satellites ou les modèles plus ou moins virtuels sortis des machines informatiques de plus en plus puissantes.


 

Bibliographie et Filmographie

Le site de LAVE

Maj 20 mai 2005