| 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.
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