Paris, 5 janvier 2014

Les conditions d'éruption d'un supervolcan recréées dans un laboratoire de rayons X

Des scientifiques ont reproduit les conditions de pression et de température régnant dans la chambre magmatique des supervolcans pour comprendre comment se déclenchent leurs explosions. Ces explosions, heureusement très rares, sont les catastrophes naturelles les plus dramatiques sur Terre, à l'exception des chutes de météorites géantes. Grâce aux rayons X du synchrotron européen (ESRF), les scientifiques ont établi que les éruptions des supervolcans peuvent se produire spontanément, par simple augmentation de la pression magmatique, sans besoin de cause externe. Ces travaux impliquent en France le Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS / Université Lyon 1 / ENS Lyon) et l'ESRF (Synchrotron Européen) à Grenoble ainsi que l'université Polytechnique (ETH) de Zurich, l'Institut Paul Scherrer à Villingen (Suisse) et l'université Okayama (Japon). Ils sont publiés dans Nature Geoscience le 5 janvier 2014.
C'est une éruption de supervolcan, il y a 600 000 ans dans le Wyoming aux Etats-Unis, qui a créé le cratère gigantesque, appelé caldeira, au centre duquel se trouve aujourd'hui le Parc National de Yellowstone. Quand le volcan a explosé, il a éjecté plus de 1000 km3 de cendres et de lave dans l'atmosphère, 100 fois plus que l'éruption du Mt Pinatubo aux Philippines en 1992. Les grosses éruptions volcaniques ont un impact majeur sur le climat de la planète. L'éruption du Mt Pinatubo a fait décroître la température du globe de 0,4 degrés pendant plusieurs mois. Pour un supervolcan, la chute de température pourrait être de 10 degrés pendant 10 ans.

Selon un rapport de la Société géologique de Londres, en 2005, « même la science-fiction ne peut imaginer un mécanisme crédible qui permettrait d'éviter l'éruption d'un supervolcan. Nous devons cependant essayer de comprendre les mécanismes impliqués dans les super-éruptions et prédire la catastrophe suffisamment à l'avance pour que la société en soit avertie. La préparation est le seul moyen de limiter les effets désastreux d'une super-éruption. »

Les mécanismes qui provoquent les éruptions de supervolcans sont restés obscurs jusqu'à maintenant. Ils sont bien différents des phénomènes éruptifs observés dans les volcans conventionnels tels que le Mt Pinatubo. Un supervolcan possède une chambre magmatique beaucoup plus grande et il est toujours situé dans une zone où le flux thermique en provenance du centre de la Terre est très élevé. De ce fait, la chambre magmatique est beaucoup plus grande et chaude, mais aussi déformable : sa forme change en fonction de la pression au fur et à mesure qu'elle se remplit de magma chaud. Cette plasticité permet à la pression de se dissiper plus efficacement que dans un volcan normal, dont la chambre magmatique est plus rigide. C'est pour cette raison que les supervolcans n'explosent pas souvent.
D'où la question : qu'est-ce qui peut alors provoquer l'éruption d'un supervolcan ? Wim Malfait de l'ETH Zurich explique: « L'élément déclenchant est une pression additionnelle causée par les différences de densité entre la roche solide et le magma liquide. On pourrait comparer cela à un ballon de foot rempli d'air que l'on plonge dans l'eau et qui remonte à la surface car l'eau est plus dense tout autour. » Cette pression additionnelle est-elle suffisante pour causer des fissures de la croûte terrestre, suivie d'une éruption violente, ou faut-il une source d'énergie externe comme un tremblement de terre ? Tel était le sujet de cette recherche.

Comme il est impossible de percer un trou dans la chambre magmatique d'un supervolcan pour l'étudier directement, les scientifiques ont reproduit en laboratoire les conditions extrêmes de pression et de température au niveau du magma. «Les rayons X de l'ESRF peuvent être ensuite utilisés pour connaître l'état (liquide ou solide) de la matière et les changements de densité lorsque le magma cristallise sous forme de roche », dit Mohamed Mezouar, chercheur à l'ESRF et membre de l'équipe. Jean-Philippe Perrillat, chercheur au Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS / Université Lyon 1 / ENS Lyon), ajoute : « Des températures de plus de 1700 degrés et des pressions jusqu'à 36 000 atmosphères peuvent être atteintes à l'intérieur d'une presse appelée Paris-Edimbourg, où de minuscules échantillons de roche sont placés entre les deux pointes d'une enclume en carbure de tungstène puis chauffés avec un four résistif. Cet appareillage a été utilisé pour déterminer très exactement la densité du magma liquide sur une large gamme de pressions et de températures. » Le magma contient souvent de l'eau qui, sous forme de vapeur, ajoute de la pression. Les scientifiques ont également établi les densités de magma en fonction du contenu en eau.

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LA SPECTROMÉTRIE D'ÉLECTRON AUGER

Descriptif de l'appareil et explication de l'obtention des images.

Vidéo issue du projet VideoManip dont l'objectif est la réalisation de courtes séquences filmées, montrant des expériences réelles, qui seraient à la fois trop complexes pour être montées et montrées en amphi, et pas assez riches d'enseignement pour justifier un TP de plusieurs heures. Les sciences de l'ingénieur consistent à utiliser un phénomène physique pour construire un objet répondant à un besoin donné. Cela suppose de la part des scientifiques, des (futurs) ingénieurs et des (futurs) enseignants qui les forme(ro)nt une connaissance assez intime des phénomènes physiques exploitables. Dans le processus d'acquisition de cette connaissance, rien ne remplace la confrontation directe au phénomène étudié au travers de l'expérimentation. La "manip de cours" ou "manip d'amphi" (expérimentation par le professeur pendant le cours magistral) permet de confronter immédiatement les étudiants au phénomène étudié sans avoir à attendre qu'ils aient acquis suffisamment de compétence pour pouvoir manipuler eux-mêmes. Ce genre d'illustration représente un investissement important, tant pour la mise en place de l'expérimentation elle-même que pour celle des dispositifs annexes permettant de la faire visualiser par un grand auditoire.

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ANALYSE DE GAZ PAR SPECTROMÉTRIE DE MASSE

Il s'agit de montrer comment analyser les constituants d'un gaz en utilisant un spectromètre de masse. Le système est bien décomposé pour expliquer le fonctionnement et les utilisations possibles.
Vidéo issue du projet VideoManip dont l'objectif est la réalisation de courtes séquences filmées, montrant des expériences réelles, qui seraient à la fois trop complexes pour être montées et montrées en amphi, et pas assez riches d'enseignement pour justifier un TP de plusieurs heures. Les sciences de l'ingénieur consistent à utiliser un phénomène physique pour construire un objet répondant à un besoin donné. Cela suppose de la part des scientifiques, des (futurs) ingénieurs et des (futurs) enseignants qui les forme(ro)nt une connaissance assez intime des phénomènes physiques exploitables. Dans le processus d'acquisition de cette connaissance, rien ne remplace la confrontation directe au phénomène étudié au travers de l'expérimentation. La "manip de cours" ou "manip d'amphi" (expérimentation par le professeur pendant le cours magistral) permet de confronter immédiatement les étudiants au phénomène étudié sans avoir à attendre qu'ils aient acquis suffisamment de compétence pour pouvoir manipuler eux-mêmes. Ce genre d'illustration représente un investissement important, tant pour la mise en place de l'expérimentation elle-même que pour celle des dispositifs annexes permettant de la faire visualiser par un grand auditoire.

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DU MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE À LA MICROSCOPIE À CHAMP PROCHE

A travers les siècles, l'homme a toujours cherché à observer le monde de l'infiniment petit qui l'entoure, le monde invisible à l'oeil nu. Pour cela, il invente la loupe (XVe siècle), puis le microscope optique (XVIIe siècle) pour observer des cellules sanguines ou des bactéries ..., mais il semble impossible d'observer les éléments ultimes dont est faite la matière : les atomes. Il faut attendre la découverte de la mécanique ondulatoire de Louis de Broglie(1923) pour que l'espoir renaisse. Les particules qui constituent la matière peuvent se comporter comme des ondes de longueur d'onde très petite : 0,1 nm (10-10 mètre), c'est-à-dire de la taille d'un atome. De cette dualité onde-corpuscule va naître le microscope électronique en 1933 (E.Ruska) - où l'éclairage par une source lumineuse utilisé dans le microscope optique est remplacé par une source d'électrons. L'observation d'atomes reste encore indirecte et s'appuie sur des phénomènes de diffraction. Les applications de la microscopie électronique sont nombreuses et le développement instrumental est aujourd'hui très sophistiqué que ce soit au niveau des appareillages ou au niveau du traitement informatique des données. Les domaines explorés sont très divers,la biologie moléculaire et cellulaire ,la cristallographie, la métallurgie, et les sciences des matériaux.La résolution des microscopes électroniques permet d'atteindre l'échelle atomique mais il faut noter un point fondamental,on n'observe pas le relief des surfaces observées mais une vue projetée.Les ondes associées aux électrons qui permettent l'obtention d'images sont des ondes progressives et l'on se trouve dans le cadre du champ lointoin.Cet inconvénient est entièrement levée dans le cas des microscopies en champ proche. En 1982, un nouveau type de microscope - le microscope à effet tunnel, est inventé par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, ouvrant un champ très vaste d'investigations scientifiques et des nouveaux horizons technologiques. Cette nouvelle technique utilisant une pointe très fine terminée par un atome permet l'observation directe et aisée d'atomes et de structures atomiques de surfaces conductrices dans une large variété d'environnements (air, eau, huile, vide). Depuis l'invention du microscope tunnel, d'autres microscopies à sonde locale ont été développées, et notamment le microscope à effet de force atomique (1986) qui permet d'imager non seulement des surfaces conductrices mais aussi des surfaces isolantes.Enfin une autre microscopie en champ proche optique donne des images pour lesquelles les critères de Rayleigh. En plus, les progrès les plus récents ont montré la possibilité de manipuler les atomes à l'aide de ces microscopes - ainsi les premières structures artificielles à l'échelle atomique ont été élaborées.Toutes ces techniques d'observation et d'élaboration de nanostructures ont données naissance à une nouvelle physique,la nanophysique et aussi à de nouvelles nanotechnologies qui préfigure l'aube d'une révolution "nano" industrielle. Au cours de cette exposé nous présenterons les différents types de microscopes électroniques et les résultats les plus spectaculaires obtenus dans le domaine des sciences puis les trois familles de microscopies en champ proche et les applications surlesquelles elles débouchent naturellement.

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