Développement de la perméabilité dynamique améliorée par cisaillement d’un magma vésiculant dans des conduits cylindriques

Pourquoi les bulles dans la lave comptent

Les éruptions volcaniques sont alimentées par des gaz piégés dans la roche en fusion. Le fait qu’un volcan coule doucement ou projette des cendres haut dans le ciel dépend en grande partie de la facilité avec laquelle ces gaz peuvent s’échapper. Cette étude examine comment les bulles à l’intérieur d’un magma visqueux et riche en gaz se relient entre elles et avec l’extérieur, transformant la roche d’une éponge retenant le gaz en une mousse perméable. Comprendre cette transition aide à expliquer pourquoi certaines éruptions sont explosives tandis que d’autres restent relativement silencieuses.

Des bulles qui montent dans un conduit rocheux

Dans un volcan, le magma circule souvent vers le haut à travers des conduits approximativement cylindriques — des tuyaux rocheux pouvant mesurer des mètres de diamètre. Lors de la remontée, la baisse de pression provoque la dégazation de l’eau dissoute et d’autres gaz, formant des bulles. Lorsque suffisamment de bulles se touchent et se connectent, le gaz peut percoler à travers le magma et s’échapper. Des travaux antérieurs suggéraient qu’une très grande fraction du volume du magma — souvent plus de la moitié — devait être occupée par des bulles avant que de tels chemins se forment. Mais ces estimations négligeaient généralement l’effet du cisaillement important subi par le magma en mouvement, c’est‑à‑dire l’étirement dû au frottement contre les parois du conduit. Les auteurs ont cherché à reproduire cette situation en laboratoire en utilisant de l’obsidienne rhyolitique réelle, un verre volcanique naturel, afin de voir comment le cisaillement modifie le seuil à partir duquel le gaz peut s’écouler librement.

Volcans en miniature au laboratoire

Les chercheurs ont foré de petits carottes cylindriques d’obsidienne et les ont chauffées jusqu’à l’apparition de bulles. Dans une série d’expériences, les échantillons pouvaient se dilater librement, simulant un magma peu contraint par son environnement. Dans une autre série, chaque cylindre de verre était placé à l’intérieur d’un tube de basalte plus épais d’un diamètre intérieur légèrement supérieur, forçant le magma bulleux à s’étendre latéralement jusqu’à toucher le tube, puis principalement vers le haut. En modifiant l’écart entre l’échantillon et le tube, les chercheurs ont contrôlé le moment d’apparition du cisaillement et son intensité. Pendant le chauffage et le maintien, ils ont suivi l’enflure des échantillons, le nombre de bulles formées, l’évolution de leur forme et la facilité avec laquelle le gaz pouvait circuler dans le réseau ainsi créé.

Comment l’étirement des bulles ouvre des voies d’évacuation

Les expériences montrent un contraste marqué entre un magma calme et un magma soumis au cisaillement. Lorsque les échantillons se dilataient librement, les bulles restaient presque sphériques et, même à des contenus en bulles très élevés — jusqu’à environ les trois quarts du volume — le magma restait pratiquement hermétique, avec une perméabilité extrêmement faible. Une fois le cisaillement introduit par la confinement, l’image changeait. Près des marges, les bulles s’allongeaient rapidement en formes alignées avec l’écoulement, et les bulles voisines commençaient à se toucher et à fusionner. Dans les échantillons modérément cisaillés, des voies de gaz significatives apparaissaient dès que le magma bulleux frottait contre les parois du contenant, pour des fractions de bulles autour de 60–70 %. Dans les cas de cisaillement le plus fort, la connectivité s’établissait à des contenus en bulles beaucoup plus faibles, parfois en dessous de 20 %, bien que ces voies précoces fussent globalement moins perméables.

Un équilibre dynamique entre gain et perte de gaz

La perméabilité dans les échantillons soumis au cisaillement n’augmentait pas simplement avec la quantité totale de bulles. Elle dépendait plutôt de la portion de l’espace poreux effectivement connectée, ainsi que des tailles et des formes des goulots étroits reliant les bulles. Une fois les chemins formés, le gaz commençait à s’échapper par des régions déchirées de la « croûte » extérieure dense de verre qui enrobe les échantillons. Les auteurs ont combiné leurs mesures avec un modèle de croissance de bulles pour reconstruire l’évolution temporelle de la perméabilité macroscopique à haute température. Ils ont trouvé que dans les cas faiblement contraints, la connectivité déclenchée par le cisaillement permettait une évasion du gaz juste suffisante pour compenser la croissance des bulles, menant à un état transitoire et autorégulé. Dans les cas fortement contraints, la croissance des bulles se poursuivait même après l’établissement de la connectivité, mais à un rythme plus lent, montrant que la mise en réseau des bulles ne draine pas automatiquement le gaz instantanément depuis un magma visqueux.

Ce que cela signifie pour les éruptions réelles

Pour les conduits volcaniques naturels, ces résultats impliquent que même un cisaillement modéré peut réduire fortement la fraction de bulles nécessaire à la percolation du gaz, et que, une fois formées, les connexions peuvent persister même si les bulles se réarrondissent ensuite. Toutefois, un dégazage effectif nécessite aussi des voies continues jusqu’à la roche environnante et une différence de pression pour entraîner l’écoulement. Ainsi, le passage d’un comportement explosif à effusif dans les éruptions siliciques est contrôlé non seulement par le nombre de bulles présentes, mais aussi par la façon dont le magma est comprimé et étiré à l’intérieur du conduit et par la manière dont ses voies de gaz se raccordent au réseau volcanique plus large.

Citation: Birnbaum, J., Schauroth, J., Weaver, J. et al. Shear-enhanced dynamic permeability development of magma vesiculating in cylindrical conduits. Sci Rep 16, 9838 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43344-8

Mots-clés: perméabilité du magma, dégazage volcanique, réseaux de bulles, style d’éruption, magma rhyolitique