Résoudre le mystère des roches flottantes

May 31, 2017 Les scientifiques ont découvert comment les roches peuvent flotter.

Certaines roches peuvent flotter sur l'eau pendant des années, formant des plaques de débris de plusieurs kilomètres de long qui dérivent sur des milliers de kilomètres à la surface de l'océan. Aujourd'hui, les scientifiques ont découvert comment ils y parviennent et pourquoi ils finissent par couler.

Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'énergie ont résolu ce mystère en scannant des échantillons de roches volcaniques légères, vitreuses et poreuses connues sous le nom de pierres ponces. Ces expériences aux rayons X ont été menées à l'Advanced Light Source (ALS) du Berkeley Lab, une source de rayons X connue sous le nom de synchrotron.

La flottabilité de longue durée de ces roches peut aider les scientifiques à découvrir les éruptions volcaniques sous-marines et à comprendre comment la pierre ponce flottante sert de milieu marin riche en nutriments qui propage les espèces dans le monde entier. En outre, elle représente un danger pour les bateaux, car le mélange cendré de pierre ponce broyée peut obstruer les moteurs des navires.

Si les scientifiques savent que les poches de gaz dans les pores de la pierre ponce lui permettent de flotter, ils ne savent pas comment les gaz restent piégés pendant des périodes prolongées. Le mystère s'épaissit si l'on considère que les pores de la pierre ponce sont largement ouverts et connectés, comme une bouteille débouchée. Il est intéressant de noter qu'en laboratoire, on a observé que certaines pierres ponces s'enfoncent le soir et remontent à la surface pendant la journée.

Pour leur enquête, les chercheurs ont enrobé des morceaux de pierre ponce exposés à l'eau, prélevés sur le volcan Medicine Lake, près du mont Shasta, en Californie du Nord, et sur le volcan Santa María, au Guatemala. Ils ont ensuite utilisé une technique d'imagerie aux rayons X appelée microtomographie pour étudier les concentrations d'eau et de gaz - mesurées en microns (millièmes de millimètre) - dans les échantillons de pierre ponce préchauffés et à température ambiante. Les images tridimensionnelles qui en résultaient étaient tellement riches en données qu'il était difficile d'identifier rapidement les concentrations de gaz et d'eau dans les pores des échantillons.

Ce problème a été résolu par un chercheur de premier cycle invité de l'Université de Pékin, Zihan Wei, a utilisé un outil logiciel d'analyse de données qui intègre l'apprentissage automatique pour identifier automatiquement les composants du gaz et de l'eau dans les images. Les chercheurs ont découvert que les processus de piégeage du gaz trouvés dans les pierres ponces sont liés à la tension superficielle, une interaction chimique entre la surface de l'eau et l'air au-dessus d'elle qui agit comme une peau fine.

"Le processus qui contrôle ce flottement se produit à l'échelle d'un cheveu humain. De nombreux pores sont très, très petits, comme de fines pailles enroulées les unes sur les autres. C'est donc la tension superficielle qui domine", explique Kristen E Fauria, une étudiante diplômée de l'Université de Berkeley qui a dirigé l'étude, publiée dans Earth and Planetary Science Letters.

L'équipe a également découvert qu'une formulation mathématique connue sous le nom de théorie de la percolation, qui explique comment un liquide pénètre dans un matériau poreux, rend compte du processus de piégeage des gaz dans la pierre ponce. En outre, la diffusion des gaz - qui décrit comment les molécules de gaz recherchent des zones de plus faible concentration - explique la perte éventuelle de ces gaz et la raison pour laquelle les pierres s'enfoncent.

Michael Manga, scientifique membre du personnel de la division des géosciences énergétiques du Berkeley Lab et professeur au département des sciences de la terre et des planètes de l'UC Berkeley, a déclaré : "Il existe deux processus différents : l'un qui permet à la pierre ponce de flotter et l'autre qui la fait couler."

Les études aux rayons X ont permis de quantifier ces processus pour la première fois. L'étude a montré que dans certains cas, les estimations précédentes du temps de flottaison étaient erronées de plusieurs ordres de grandeur. L'eau entoure et emprisonne les gaz dans la pierre ponce, formant des bulles qui rendent les pierres flottantes. La tension superficielle maintient les bulles enfermées à l'intérieur pendant des périodes prolongées. Le flottement observé lors d'expériences en laboratoire est dû à l'expansion des gaz emprisonnés pendant la chaleur de la journée, et à la contraction lorsque la température baisse pendant la nuit.

Les travaux sur les rayons X réalisés à l'ALS, ainsi que les études de petits morceaux de pierre ponce flottant dans l'eau réalisées dans le laboratoire de Manga à UC Berkeley, ont aidé les chercheurs à mettre au point une formule permettant de prédire la durée pendant laquelle une pierre ponce flottera généralement en fonction de sa taille.

L'étude a déclenché d'autres questions, comme celle de savoir comment la pierre ponce, éjectée des volcans sous-marins profonds, trouve son chemin jusqu'à la surface. Les chercheurs ont également mené des expériences aux rayons X à l'ALS pour étudier des échantillons de pierre ponce dite "géante" qui mesuraient plus d'un mètre de long. Cette pierre a été extraite du fond marin dans la zone d'un volcan sous-marin actif, à des centaines de kilomètres au nord de la Nouvelle-Zélande, lors d'une expédition de 2015 à laquelle Fauria et Manga ont participé.

Les éruptions volcaniques sous-marines ne sont pas aussi faciles à traquer que les éruptions terrestres. Les pierres ponces provenant des éruptions volcaniques sous-marines varient considérablement en taille, mais peuvent généralement avoir la taille d'une pomme, alors que les pierres ponces provenant des volcans terrestres ont tendance à être plus petites qu'une balle de golf.

"Nous essayons de comprendre comment cette pierre ponce géante a été fabriquée", a déclaré Manga. "Nous ne comprenons pas bien le fonctionnement des éruptions sous-marines. Ce volcan a fait une éruption complètement différente de ce que nous avions supposé. Nous espérons pouvoir utiliser ce seul exemple pour comprendre le processus."

Fauria reconnaît qu'il y a beaucoup à apprendre des études sur les volcans sous-marins, ajoutant que les études sur les rayons X à l'ALS joueront un rôle permanent dans les travaux de son équipe.

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