Conditions de formation

Pour obtenir un geyser il faut que trois conditions soient réunies. Une nappe d'eau souterraine combinée à une forte source de chaleur et un réseau de galeries approprié.

Nous allons étudier ces conditions particulières et les illustrer par deux exemples concrets : l'Islande et le Yellowstone.

Lorsque nous recherchons la présence de geysers sur le globe nous nous apercevons qu'ils se situent généralement à proximité des frontières entre 2 plaques tectoniques (ou lithosphériques).

Que sont ces plaques et que se passe-t-il à leurs frontières ? 

Les geysers sont-ils directement liés aux plaques ?

a) Les plaques tectoniques

 Les plaques tectoniques, au nombre de douze, sont des fragments de la lithosphère qui résultent de son découpage par un système de failles, de dorsale et de fosse de subduction.

 En 1912 Wegener conçoit grâce à de nombreuses observations ( correspondance de forme des côtes occidentale et orientale , présence des mêmes fossiles en Amérique du sud et en Afrique, etc.) l'idée d'un déplacement latéral des continents. En 1929, le géologue Holmes, grâce à la découverte de la radioactivité pense que le manteau terrestre serait animé de courants de convection et confirme la théorie de Wegener. Mais il faut attendre la fin des années 60 pour que la théorie de la tectonique des plaques s'impose à l'ensemble de la communauté scientifique grâce à la topographie des océans, aux mesures du flux géothermique et au paléomagnétisme.

Lithosphère et asthénosphère

Ces plaques lithosphériques se déplaceraient donc sur du manteau déformable, dénommé asthénosphère (voir ci-dessus), en raison de la chaleur intense qui règne sous Terre. Celle-ci serait due à la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les minéraux qui constituent le manteau terrestre (péridotite). En raison de ces températures extrêmes, des masses de roches remontent vers la surface. Au cours leur ascension, ces roches se refroidissent, par conséquent, à l'approche de la croûte terrestre, les roches, devenu plus dense, replongent vers le noyau de la terre. Ces mouvements appelés mouvements de convection, font l'effet d'une sorte de "double tapis roulant" entraînant les plaques qui sont au-dessus.

Convection mantellique

 Par conséquent, elles subissent entre elles différentes interactions qui entrainent une activité volcanique :

Mouvements de convergence: rapprochement des plaques lithosphériques

Quand une plaque océanique vient dans son mouvement buter contre une plaque continentale, elle s'enfonce dans le manteau de la terre (asthénosphère), c'est le phénomène de subduction.L'eau contenue dans la lithosphère plongeante s'en échappe et vient hydrater le manteau, provoquant sa fusion partielle. Ce magma remonte à travers la plaque supérieure pour donner naissance au volcanisme de subduction.

Subduction

 Ces mouvements de convergence peuvent aussi provoquer la collision de deux plaques continentales, à l'origine de la formation d'une chaîne de montagnes.

Les mouvements de divergence : écartement des plaques lithosphériques (voir cas de l'Islande plus bas)

Une zone de divergence conduit à la formation d'un rift. La croûte terrestre s'ouvre mais sitôt ouverte, la croûte terrestre se rebouche. En raison de la finesse de la croûte au niveau de la jonction des plaques, elles exercent une pression moindre sur les roches magmatiques. Du coup, ces roches se liquéfient et s'engouffrent dans les failles pour les combler. On appelle ce phénomène l'accrétion. Voilà pourquoi les plaques ont beau s'écarter, il ne se forme pas de « gouffres » entre les deux plaques. Bien au contraire, au niveau de cette jonction, la croûte terrestre se déchirant régulièrement, les laves qui jaillissent sous forme d'éruptions volcaniques s'accumulent et finissent par former une chaîne de montagnes que l'on appelle une dorsale.

Phénomène d'accrétion

Coulissage

Il s'agit d'un déplacement latéral d'une plaque contre une autre. Ce mouvement n'engendre pas d'activité volcanique mais provoque des séismes très violents dus aux frottements rugueux le long de failles épaisses et peu rectilignes.

Or, ont voient également que certains champs de geyser ne se situent pas à proximité des limites des plaques.

b) Les points chauds

A côté du volcanisme typique des dorsales ou des zones de subduction, les géologues définissent un autre type de volcanisme dit de "point chaud". La plupart de ces volcans sont localisés au cœur même des plaques (volcanisme intraplaque) et non sur leurs limites. 

Les points chauds sont immobiles, alimentant à leur verticale un volcanisme de surface. La plaque lithosphérique se déplaçant au-dessus est régulièrement perforée, c'est pour cela que l'on peut observer un alignement des îles volcaniques comme l'archipel d'Hawaï.

Les plaques tectoniques, de par leur mouvement, provoquent une activité volcanique. On peut donc penser que les geysers sont liés à la présence de volcans donc indirectement liés aux plaques. Lorsque les geysers ne se situent pas à la frontière entre deux plaques, ils sont liés à un volcanisme de point chaud.

La grande majorité de l'eau dans un système de geyser vient de l'atmosphère (eau météorique) et très peu du magma (eau magmatique). Souvent, les champs de geysers se trouvent sur les rives des cours d'eau, qui est habituellement une composante importante de la source d'eau d'un geyser. Les précipitations et les eaux souterraines circulant jouent également un rôle important. Cette eau pénètre dans les roches par l'intermédiaire de fractures et de conduits. L'âge des eaux souterraines expulsées d'un système de geyser est de l'ordre de 500 ans, ce qui est évidemment la quantité de temps qu'il faut pour faire circuler les eaux souterraines en profondeur, qu'elle se chauffent et remontent à des niveaux moins profond.

Pour que l'eau chauffée forme un geyser, un système de conduits souterrains est nécessaire. Cela comprend un réservoir pour contenir l'eau pendant qu'elle est chauffée. Les geysers sont généralement alignés le long des failles. Le système de conduits naturels est constitué d'un réseau de fractures, fissures, des espaces poreux et parfois des cavités.

Les forces intenses qui entre en jeu sont la principale raison de leur rareté. Il y a beaucoup de zones volcaniques dans le monde avec des sources chaudes et des fumerolles, mais très peu concentrent des geysers. C'est parce que dans de nombreux endroits, même si les autres conditions de l'activité des geysers sont réunies, les structures rocheuses sont friables, et les éruptions érodent les canaux et détruisent rapidement les geysers.

La plupart des geysers se forment dans les endroits où il y a de la roche volcanique rhyolite qui se dissout dans l'eau chaude et forme des dépôts minéraux (appelés geyserite) le long de la face interne des conduits qui sont très minces. Au fil du temps ces dépôts cimentent la roche, en renforçant les parois des canaux et permettent au geyser de persister.

Les geysers sont des phénomènes fragiles et si les conditions changent, ils peuvent entrer en dormance ou s'éteindre. De nombreux geysers  ont été détruits par des personnes jetant des détritus et débris en eux; d'autres ont cessé de jaillir en raison de la déshydratation par des centrales géothermiques ou encore à cause de tremblement de terre. En 1960, un séisme provoqua l'arrêt de l'activité de Geysir qui reprit 40 ans plus tard. 

a) Un volcanisme intense

L’Islande a commencé à se former il y a au moins 20 millions d'années. Ce n'est rien en comparaison de la Terre qui est né il y a 4,5 milliards d'années.  L'Islande est donc relativement jeune. A l'origine, des volcans sont sortis de l'océan, et, d'éruptions en éruptions, ils ont fini par façonner cette île dont la géologie est très complexe. Ses paysages résultent de la bataille que se livrent les forces de la nature: l'eau, la glace et le feu.

La particularité de l'Islande est d'être une île située à mi-chemin entre deux plaques. La partie nord-ouest de l'île est sur la plaque américaine et la partie sud-est sur la plaque eurasiatique. Ces deux plaques s'écartent. Nous avons donc un mouvement de divergence.

Les deux plaques en s'écartant l'une de l'autre, ont formé un rift. Par accrétion, les roches magmatiques qui se sont liquéfiées sont venues rebouchées les failles. Les laves qui jaillissent se sont accumulées et ont fini par former la dorsale médio-atlantique qui s'étire sur 15000 km de long et qui émerge au niveau de l'Islande.

Au niveau du Thingvellir, on peut observer une immense faille de 30 km de large (rift) où les fissures résultant de l'écartement des deux plaques se forment. L'Islande est donc partagée en deux par ce rift et grandit de 2 cm/an. Par conséquent, c'est l'Océan Atlantique tout entier qui s'élargit. Au fond de l'océan, au niveau de la dorsale, l'activité volcanique est intense. On peut par exemple y observer des sources d'eau chaude appelées monts hydrothermaux, ou encore des séismes.

 L’Islande émerge de l'océan car à cet endroit, deux formes de volcanisme se conjuguent. Un volcanisme lié à la formation de la dorsale et un autre lié à la présence d'un point chaud. En effet, sous terre la température est par endroits plus élevée qu'ailleurs. Les roches qui subissent ces températures extrêmes, deviennent moins denses que la matière environnante, elles remontent donc vers la surface en formant un panache dont la tête vient « s'écraser » contre la croûte terrestre. La température est tellement élevée que le flux agit comme un véritable chalumeau qui fini par percer la croûte et la lave jaillit. Dans l'Atlantique nord, le point chaud débouche exactement au niveau de l'Islande entre les deux plaques. La lave produite par le point chaud vient donc s'ajouter à celle issue du volcanisme d'accrétion. 

La chaleur, première condition de formation d'un geyser, est présente sur l'île.

b) De l'eau en abondance

L'Islande a une hydrographie abondante. En effet 11% de l'île est recouverte de glacier comme le Vatnajökull. Ce glacier exite depuis 2500 ans et mesure par endroits 1000 mètres d'épaisseur. Ces glaciers alimentent de nombreux fleuves. Il pleut au minimum au minimum 10 jours par mois. L'eau s'infiltre dans le sol et va alimenter les cavités souterraines.

Nous avons donc étudié la géologie très complexe et particulière de l'Islande.

L'Islande se situe à cheval sur deux plaques qui s'écartent, la lithosphère à cette endroit devient donc moins dense, ainsi le magma à haute pression contenue sous la lithosphère peut s'évacuer créant ainsi un volcan. A cela s'ajoute un point chaud faisant émerger la dorsale au niveau de l'Islande.  Grâce à l'activité volcanique et à la présence d'eau, des phénomènes comme les geysers apparaissent.

Maintenant, nous allons étudier le Yellowstone qui concentre la majorité des geysers sur Terre, pourtant sa géologie est différente de l'Islande.

a) La caldeira de Yellowstone

Dans les années 1990, les paléontologues et les géologues ont découvert qu'il existe encore sur terre au moins un super-volcan en dormance de la dimension de ceux qui ont conduit à plusieurs extinctions massives.

Ce super-volcan est la caldeira de Yellowstone parfois appelé super-volcan de Yellowstone.

Les super-volcans forment des dépressions dans le sol. Tout commence par une colonne de magma qui monte des entrailles de la terre. Ce magma stagne dans le manteau à quelques centaines de km de la surface, formant un point chaud. Plutôt que de percer la surface, le magma s'accumule dans un lac souterrain et finit par faire fondre localement l'espace terrestre transformant la roche elle- même en magma épais. Sous ce volcan se forme un vaste réservoir de roche fondue que l'on appelle caldeira active.

Des données géologiques montrent que le point chaud du Yellowstone résulte de l’interaction entre un panache mantellique et la plaque Nord-américaine qui passe au-dessus de ce dernier. Un phénomène à modifier la lithosphère continentale par des processus magmatiques et tectoniques, et produit le complexe volcanique du Yellowstone.

Le magma est si épais et si visqueux qu'il emprisonne les gaz, conduisant à une augmentation colossale de la pression en quelques milliers d'années.

La particularité géologique du Yellowstone est la minceur de la croûte terrestre qui se trouve sous la surface du sol. En effet, le magma se trouve à une profondeur comprise entre 8 et 10 km au lieu de 30km ailleurs.

L'activité de la caldeira se manifeste par divers phénomènes: phénomènes géothermiques (Geysers, sources chaudes...), des séismes, des flux de chaleur très importants, et enfin la déformation du sol.

Évolution du Yellowstone

Formation d'un point chaud sous l'écorce suivi de la formation d'un dôme. Des fractures se formèrent ensuite, suivies d'une éruption qui vida partiellement la chambre magmatique. La caldeira s'affaissa et fut comblée par de la lave qui fournit la source de chaleur aux formations hydrothermales actuelles. 

b) De l'eau et des galeries souterraines

A Yellowstone les sources hydrothermales et autres geysers sont le résultat de la présence d'un corps magmatique à faible profondeur. Ces phénomènes résultent en partie du chauffage en profondeur des eaux de pluies, des eaux de la rivière traversant la caldeira ou encore de fonte de la neige qui ont pénétrées dans le sol et rencontrées dans leur descente des roches chaudes. Cela créer une ou plusieurs réserves de fluides hydrothermaux qui circulent dans les profondeurs du parc.

L'éruption d'un geyser nécessite un approvisionnement constant et régulier de chaleur. Comme nous l'avons vu, chaque champ de geyser dans le monde se trouve à proximité d'une sorte de volcan, source de chaleur. Souvent, les champs de geysers sont situés à proximité des frontières de plaques lithosphériques, qui sont généralement caractérisées par un volcanisme actif (voir l'Islande). D'autres champs de geyser, tels que Yellowstone (voir étude du Yellowstone), sont supposés se trouver au-dessus des points chauds. 

Comme nous l'avons vu, l'eau est également indispensable à la formation d'un geyser. Cette eau doit se trouver en grande quantité dans le sol.

Enfin, un système de conduit souterrain ne peut se créer et perdurer que si la structure rocheuse est favorable.

Si un de ces trois paramètres est absent, alors il ne peut y avoir de geyser. Parfois les conditions sont réunies mais des d'autres facteurs viennent perturber l'activité des geysers comme des séismes.

Aller à la partie II