Magma explosif : la formation de nanocristaux double la viscosité, révélant de nouveaux scénarios éruptifs

Une équipe de recherche internationale, dirigée par Pedro Valdivia Muñoz du Bayerisches Geoinstitut (Allemagne) et coordonnée par Danilo Di Genova de l'Institut de science, technologie et durabilité pour le développement de matériaux céramiques (ISSMC) du Conseil national de la recherche (CNR) à Rome, avec d'importantes contributions d'autres collègues du Bayerisches Geoinstitut et de l'Université de Roma Tre, a découvert un mécanisme à l'échelle nanométrique qui peut rendre le magma jusqu'à 30 fois plus visqueux, et donc plus explosif, presque instantanément .

L'étude, publiée dans la prestigieuse revue Communications Earth & Environment , a utilisé des techniques d'imagerie avancées pour observer, pour la première fois en temps réel, la formation de « nanolithes » – des cristaux d'oxyde de fer et de titane plus petits qu'un millième du diamètre d'un cheveu – dans un magma andésitique. Ce dernier est un type de magma à la viscosité généralement intermédiaire, fréquent dans de nombreux volcans à comportement explosif. Cette capacité d'investigation, qui a permis à l'équipe d'être pionnière dans l'enregistrement de la formation de nanocristaux dans des systèmes vitreux, ouvre de nouvelles perspectives non seulement pour la volcanologie, mais aussi pour la conception de matériaux avancés tels que les vitrocéramiques industrielles, où le contrôle de la nanocristallisation est fondamental .

« Nous avons constaté que ces nanolithes se forment en quelques secondes une fois que le magma atteint certaines conditions », explique Pedro Valdivia Muñoz du Géoinstitut bavarois, premier auteur de l'étude et doctorant sous la direction de Danilo Di Genova . « Mais la véritable surprise réside dans l'effet d'entraînement qu'ils déclenchent. Au lieu d'être de simples particules solides dispersées, les nanolithes modifient chimiquement le magma environnant. Des zones enrichies en silice se forment autour des cristaux, qui sont simultanément entourés de coquilles riches en aluminium. Cette hétérogénéité chimique à l'échelle nanométrique est véritablement responsable de l'augmentation impressionnante de la viscosité . »

Le mécanisme est donc plus complexe qu'on ne le pensait. « Il ne s'agit pas seulement de l'épuisement progressif du fer dans le magma liquide ou de la masse physique créée par les cristaux », poursuit le chercheur . « C'est la réorganisation chimique à l'échelle nanométrique qui modifie radicalement le comportement du magma, augmentant significativement sa viscosité et rendant ainsi son écoulement beaucoup plus difficile . »

Crédits d'image Corrado Cimarelli

Ces résultats ont des implications directes pour la compréhension des éruptions andésitiques, typiques de volcans comme Sakurajima au Japon , dont la composition magmatique a servi de référence pour certaines expériences. « La formation rapide de nanolithes et l'augmentation conséquente de la viscosité lors de la remontée du magma pourraient être des facteurs clés conduisant à une fragmentation explosive. De plus, ces zones hétérogènes pourraient influencer la propagation des fractures dans le magma et même faciliter la formation de bulles de gaz, amplifiant encore le potentiel explosif », conclut Di Genova .

Cette recherche, qui combine des expériences in situ à haute température avec des analyses nanoscopiques sophistiquées et une modélisation de la viscosité, ouvre de nouvelles perspectives pour l'évaluation du risque volcanique, suggérant que même les plus infimes changements chimiques et structurels au cœur du magma peuvent avoir des conséquences macroscopiques dévastatrices . Cette étude enrichit non seulement la volcanologie, mais offre également de nouvelles perspectives pour la conception de matériaux avancés, tels que les vitrocéramiques industrielles, dont le contrôle de la nanocristallisation est crucial pour leurs propriétés.

Image de couverture réalisée avec la contribution de Gemini