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 [email-masked]
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