Le volcan Villarrica du Chili est entré brusquement en éruption le 3 mars 2015, dégorgeant une fontaine de lave de plus de 2 kilomètres de haut. L’éruption – la première du Villarrica depuis 30 ans – était inattendue par sa rapidité et sa violence. Elle a également été remarquablement brève. En une heure, l’activité explosive a cessé. En l’espace d’un mois environ, le volcan avait retrouvé son état habituel, caractérisé par un lac de lave bouillonnant situé au plus profond du cratère sommital aux parois abruptes.

Prévoir des éruptions aussi violentes est le graal de la volcanologie appliquée. Pour atteindre cet objectif, les volcanologues déploient des sismomètres pour détecter les tremblements, des inclinomètres et des GPS pour identifier les gonflements, et des détecteurs multispectraux pour surveiller les dégagements de gaz et de chaleur. Les capteurs d’infrasons, qui enregistrent les sons de basse fréquence produits par les volcans, sont un élément de plus en plus important de cette trousse à outils diversifiée.

Les volcanologues ont traditionnellement utilisé la surveillance des infrasons pour à la fois compter les explosions et suivre l’intensité des éruptions, des capacités importantes lorsque la vue du volcan est obscurcie . Des études récentes ont démontré que la surveillance infrasonore peut également être utilisée pour identifier d’importants précurseurs d’éruption . Le Villarrica a donné des indications de son agitation par le caractère changeant de ses infrasons. Nous reconnaissons maintenant que les sons changeants de Villarrica ont fourni un avertissement que la lave montait à l’intérieur du cratère .

Ces observations ont été faites fortuitement dans le cadre d’un projet de recherche parrainé par la National Science Foundation, Volcano Acoustics : From Vent to Receiver, qui a étudié la propagation à longue distance des infrasons produits à Villarrica. Au cours de l’expédition de terrain de 2015, nous avons installé des capteurs sur le sommet et les flancs du volcan. Bien que l’éruption du 3 mars ait détruit le déploiement du sommet, les capteurs situés en dehors de la zone de dommages ont recueilli des données qui ont donné une chronologie complète de l’agitation croissante du volcan.

Les volcans comme instruments de musique géants

Les volcans génèrent des infrasons, des sons de basse fréquence inférieurs au seuil de perception humaine. Malgré des comportements éruptifs variés, de nombreux volcans rayonnent leurs sons les plus intenses dans quelques octaves de 1 hertz, correspondant à des longueurs d’onde sonores de centaines de mètres. Ce n’est pas une coïncidence si cette dimension est similaire à celle des cratères volcaniques, qui jouent un rôle essentiel dans la modulation du son rayonné .

À bien des égards, un volcan est comme un instrument de musique géant. Comme pour les volcans, la taille d’une corne musicale contrôle la hauteur du son qu’elle produit : Les cornes plus grandes produisent des sons plus graves. Les sons musicaux ont tendance à être agréables en raison de la résonance du cor : les ondes de pression de l’air qui vont et viennent dans un tube de laiton sont projetées de manière sonore par le pavillon du cor. La forme de l’évasement du pavillon est importante et détermine si une note est aiguë et courte ou riche et réverbérante. Cette qualité, qui est indépendante de la fréquence ou de l’intensité sonore d’une note, est appelée globalement son timbre.

Comme pour un cor musical, le timbre et la hauteur d’un volcan sont particuliers à la forme d’un cratère. Les volcans aux cratères profonds ont tendance à produire des sons de basse fréquence, tandis que les cratères peu profonds rayonnent des sons de plus haute fréquence . Les conduits étroits résonnent souvent pendant de longues périodes, mais les cratères larges, en forme de cuvette, peuvent ne pas se réverbérer du tout. Bien que les sources de sons volcaniques puissent être variées, les évents au fond d’un cratère agissant comme des embouchures génèrent souvent des infrasons. L’expulsion violente de gaz à partir des évents ou de la surface d’un lac de lave peut induire la résonance du cratère.

Troubles volcaniques et changement de la qualité du son

Les infrasons des volcans méritent une attention particulière lorsqu’ils changent dans le temps. Cela peut se produire lorsque les volcans changent de forme : les parois des cratères s’affaissent, les planchers s’effondrent ou un lac de lave monte et descend. Le dynamisme du lac de lave du Villarrica, par exemple, est considéré comme responsable de l’évolution des infrasons qui ont précédé la violente éruption de 2015. Les fluctuations de fréquence avaient été précédemment attribuées à l’oscillation du lac de lave, mais en 2015, les scientifiques ont noté une variation systématique qui a conduit à la violente éruption du 3 mars. Une étude de Johnson et al. a rapporté deux observations principales : Le contenu en fréquence des sons a augmenté autour du 1er mars (de 0,7 à 0,95 hertz), et le timbre a changé (figure 1). Avant le 1er mars, les réverbérations étaient évidentes, mais après, le son est devenu comme un bruit sourd. En d’autres termes, la source acoustique du cratère s’était amortie.

Le cratère de Villarrica ressemble à un entonnoir, avec une section supérieure conique et un conduit étroit en dessous. L’absence de résonance au début du mois de mars est importante car, selon les modèles numériques, elle signifie un haut niveau du lac de lave situé près de la section évasée du cratère. Pendant l’état de fond typique de Villarrica, la surface du lac de lave est plus profonde – et souvent cachée – à l’intérieur du puits à parois verticales. Le 2 mars, les signaux infrasonores suggèrent que le lac de lave s’approchait du bord du cratère ; la corne était devenue un haut-parleur, comme l’illustre la vidéo ci-dessous.

Le déclencheur de la spectaculaire fontaine de lave du 3 mars, qui a commencé à 3 heures du matin, heure locale, reste énigmatique, mais le résultat final a été un violent paroxysme qui a causé des dommages matériels, forcé des milliers de personnes à évacuer la zone et fait la une des journaux du monde entier. Les observations d’infrasons nous ont appris que la surface du lac de lave avait atteint un niveau élevé plusieurs jours avant l’éruption. Ces connaissances peuvent nous aider à anticiper les futures éruptions des volcans à évent ouvert.

Résonance volcanique sur les stéroïdes

Chaque volcan possède une signature infrasonore unique. Par rapport au Volcán Villarrica, dont la résonance a évolué pendant quelques jours, passant de notable à absente, les infrasons du volcan Cotopaxi en Équateur étaient remarquables car ils ont sonné de manière constante en 2016 (figure 2). Les oscillations infrasonores de Villarrica ont duré cumulativement pendant quelques secondes, mais une seule oscillation à Cotopaxi a duré 5 secondes. Jusqu’à 16 oscillations ont été détectées dans certains des signaux infrasonores, qui, incroyablement, ont duré plus d’une minute (figure 3).

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Une étude des événements du Cotopaxi enregistrés en 2016 désigne ces beaux signaux comme des infrasons tornillos, le mot espagnol pour vis, car l’enregistrement de la pression ressemble au profil d’une vis . De telles formes d’onde attestent d’un amortissement exceptionnellement faible et donc d’un facteur de qualité élevé de la source acoustique du cratère. (Les sources avec des facteurs de qualité plus élevés ont moins d’amortissement, et elles sonnent ou vibrent plus longtemps.)

Si Villarrica est comme un grand trombone, avec une longueur de tuyau de plomb qui change avec le temps, alors Cotopaxi est comme un tuba géant, avec des dimensions relativement inchangées pendant une grande partie de 2015 et 2016. Après les explosions d’août 2015 qui ont ouvert le cratère du Cotopaxi, le conduit visible s’est étendu en pente raide vers le bas depuis son sommet de 5 900 mètres. Tout au long de la première moitié de 2016, le fond du cratère n’était pas visible pour les avions survolant le sommet. Les observations aériennes ont montré un cratère à parois verticales d’au moins 200 mètres de profondeur, une dimension corroborée par les infrasons modélisés, qui suggéraient un puits de 350 mètres.

Sources de la résonance du cratère

Le voyage des infrasons de la source volcanique au récepteur ne peut être compris qu’en considérant les effets de modulation dramatiques produits par la topographie du cratère . Il est très plausible que les tornillos impressionnants du Cotopaxi et les oscillations feutrées du Villarrica soient tous deux induits par des impulsions de courte durée se produisant au fond de leurs cratères. Une explosion brusque, ou une impulsion, contient un large spectre de fréquences ; cependant, seules celles qui excitent le cratère en résonance sont bien soutenues.

Typiquement, les volcanologues qui analysent les enregistrements infrasonores à distance sont généralement moins intéressés par la « respiration » oscillatoire de la sortie du cratère (c’est-à-dire sa résonance infrasonore) que par l’extraction d’informations importantes sur la source de l’explosion, comme sa durée ou son flux de masse. Ce sont ces informations qui contribuent à notre compréhension croissante de la façon dont le gaz s’accumule et se sépare du magma et comment il alimente les explosions volcaniques.

Cependant, avec les récents développements dans la compréhension des effets acoustiques des cratères, nous sommes mieux placés pour récupérer des paramètres importants liés aux sources des explosions. Le Cotopaxi et le Villarrica ne représentent que deux des dizaines de volcans actifs dans le monde où les infrasons contribuent à notre compréhension fondamentale de la dynamique des éruptions et à notre capacité à prévoir les futurs paroxysmes.

Remerciements

Ce travail a été financé en partie par les subventions EAR-0838562 et EAR-1830976 de la National Science Foundation et par le Fulbright Scholar Program.