Au contact du sable mouillé par la pluie, la lave se gonfle de bulles. Les plus grosses d’entre elles, aux parois très minces, finissent par éclater. Photo: Maxim Morin/OSA
Rien de tel qu’un gigantesque chaudron pour faire fondre de la roche et réaliser des coulées de lave expérimentales. Visite au Syracuse Lava Project, une fusion inédite entre l’art et la science.
Le courriel que Québec Science attendait depuis des mois est arrivé un lundi soir à 21 h 26 : « La fournaise est en marche. Si elle continue de fonctionner, nous aurons une coulée de lave demain soir. » Dès le lendemain, voici donc la journaliste et le photographe sur la route, en direction de l’État de New York, pour assister à une démonstration hors du commun.
Depuis 2009, le sculpteur Robert Wysocki et le géologue Jeff Karson fabriquent, quelques fois par an, des centaines de kilos de lave sur le campus de l’Université de Syracuse. De la vraie lave, faite de roche basaltique chauffée pendant des heures à plus de 1300 degrés Celsius.
Un projet qui allie l’art et la science, pour faire connaître à la communauté étudiante et au grand public la beauté de la roche en fusion et les processus physiques et chimiques en jeu. Cet équipement scientifique unique permet également d’étudier en détail le comportement de la lave et les formes diversifiées qu’elle prend en refroidissant. Qu’arrive-t-il si la lave s’écoule sur une pente plus ou moins prononcée ? Si on la déverse d’un seul coup ou petit à petit ? Dans quelles conditions formera-t-elle des rides, des bourrelets, des coussins ? Ici, les volcanologues peuvent tester tout ça, dans un environnement contrôlé et sécuritaire !
Le Mordor du stationnement
Le sculpteur et professeur Robert Wysocki déversant la roche fondue à plus de 1300 °C. Plus la lumière est vive, plus la température de la lave est élevée. Pour se protéger de la chaleur, « Lava Bob » porte un tablier à manches longues, des couvre-bottes, des gants, un casque et une visière faits de matériaux réflecteurs. Image: Maxim Morin
Le soir tombe déjà lorsque nous traversons le centre-ville de Syracuse, puis quelques quartiers industriels et résidentiels ayant connu des jours meilleurs. Le pavillon des arts, moderne mais coquet, est situé à l’écart de l’agitation du campus principal, en face d’un cimetière. Le four à lave passe l’année dehors, abrité sous des bâches, dans la grande entrée de garage qui jouxte le bâtiment de brique brune.
Dès notre sortie de la voiture, nous entendons le souffle puissant et continu de la flamme de gaz naturel. Le grondement sourd et la lueur rougeoyante qui s’échappent de l’appareil font penser au volcan du Mordor du Seigneur des anneaux.
Coiffé de sa casquette à l’effigie des équipes universitaires locales, les Orange, le souriant Jeff Karson nous invite à nous abriter de la pluie dans l’atelier de sculpture attenant au four. « C’est Bob qui a découvert comment fabriquer de la lave, raconte Jeff Karson, en désignant son collègue, qui dirige la Faculté des arts. Quand nous avons commencé, il n’y avait pas de recette. » « On a appris à la dure ! » confirme Robert « Bob » Wysocki.
Un petit groupe d’étudiants en art, en design et en sciences de la Terre arrive progressivement dans l’atelier. « Voici ce que nous utilisons, dit le professeur en brandissant une poignée de fin gravier noir. C’est de la lave ancienne, du basalte du Wisconsin, âgé d’un milliard d’années ! » Le basalte, c’est ce qui sort des entrailles de la Terre le long des dorsales océaniques [chaînes de volcans sous-marins des grands fonds]. Ou lors d’éruptions en Islande ou à Hawaii – comme en novembre dernier, quand le célèbre volcan Mauna Loa s’est réveillé après 38 années de repos.
D’autres roches, même une fois fondues, seraient beaucoup trop visqueuses pour s’écouler correctement du four.
Robert Wysocki enfile un manteau de protection et des cache-bottes d’aluminium. Le visage caché derrière une visière plaquée or, il ressemble à un sorcier du futur. « Il ne pleut pas trop fort, je crois qu’on peut sortir », dit Jeff Karson. Le spectacle va commencer. Sous leurs parapluies, les jeunes s’approchent du four. « Vous pouvez prendre des photos, mais n’approchez pas, c’est très chaud ! » met en garde le géologue.
Robert Wysocki actionne le treuil : tac tac tac tac tac… la fournaise s’incline lentement. D’un coup de barre de fer, Robert Wysocki ouvre une petite porte et déclenche la coulée de lave. Un jet lumineux jaune brillant se répand sur le sable que l’équipe a étalé au sol. À son contact, la flaque orangée est secouée de pustules qui atteignent rapidement la taille d’un petit pamplemousse.
« Regardez ces bulles ! » s’exclame Jeff Karson. Plus les bulles gonflent, plus elles sont lumineuses, tirant vers le jaune et le blanc, avant d’éclater comme une ampoule électrique. Les confettis de verre s’élèvent en tournoyant dans la nuit au-dessus du magma rougeoyant. Féerique !
La lave continue à s’accumuler, mais les bulles se calment : l’eau s’est entièrement évaporée au contact de la première coulée. Jeff Karson poursuit la leçon en désignant la coulée à différents endroits. « La lave sort à 1100 °C. Lorsqu’elle est “orange Syracuse”, elle est à 1000 °C. Et quand elle devient noire, elle est à 800 °C. »
Ganté de cuir, le professeur se penche vers l’embouchure du creuset pour saisir de minces filaments de lave solidifiée. « Quand le vent souffle, la lave s’étire comme des cheveux ! Vous voyez ? On les appelle les cheveux de Pélé, la déesse hawaïenne des volcans. Vous pouvez y toucher, ce n’est pas chaud », assure le professeur aux étudiants fascinés, mais un peu craintifs. « Plus c’est mince, plus ça refroidit vite. » Les étudiants se détendent. « C’est tellement cool ! »
Au fil des ans, des milliers d’étudiants en art et en géologie ont pu assister aux démonstrations du Syracuse Lava Project. Et des volcanologues viennent de partout pour y réaliser des expériences. Photo: Maxim Morin/OSA
Irrésistible lave
C’est en 2009 que Robert Wysocki a entrepris de fabriquer sa propre lave, après avoir assisté à une démonstration de fonderie d’art. Pendant que les artistes faisaient couler du fer en fusion dans des moules, Robert Wysocki remarqua plutôt les impuretés qui flottaient et s’échappaient par un orifice sur le côté du creuset comme de la mélasse. En refroidissant, elles avaient formé « une parfaite petite coulée de lave, semblable à du verre. J’ai passé deux semaines à regarder ce truc », raconte-t-il.
Fasciné, il cherche comment reproduire l’expérience, mais ne trouve sur le Web que des articles provenant de Russie, d’Inde ou de Chine, qu’il déchiffre sur Google Translate. Après moult discussions, il convainc son collègue Jeff Karson, professeur de géologie, de l’aider à monter ce projet interdisciplinaire. « Il pensait que j’étais fou », se rappelle le sculpteur né en Californie.
Ils achètent leur four oscillant non loin de Montréal, chez un récupérateur de matériel de fonderie usagé. Ni le vendeur de fours ni les installateurs du système au gaz ne veulent conseiller les professeurs sur la marche à suivre, craignant d’être tenus responsables en cas d’accident. Robert Wysocki estime avoir mis deux ans pour vraiment comprendre comment utiliser l’appareil.
La lave se solidifie rapidement en refroidissant, figeant les formes en place. Photo: Maxim Morin/OSA
Le secret ? Choisir le bon type de roche et l’ajouter petit à petit pour éviter les débordements. Le basalte contient 1,25 % d’eau emprisonnée dans ses cristaux. La chaleur brise les liaisons chimiques, ce qui libère l’eau et facilite la fusion de la roche. Sauf que cela forme des bulles dans le chaudron. « C’est comme faire bouillir du lait : le volume peut doubler ou tripler soudainement ! » explique Robert Wysocki.
Maintenant qu’il maîtrise la méthode, « c’est comme utiliser une mijoteuse : je la démarre et, quand je reviens, huit heures plus tard, c’est prêt ! Mais au début, je passais des nuits entières à surveiller l’équipement », explique celui qu’on surnomme désormais « Lava Bob ».
Au bout d’une dizaine de minutes de coulée sous l’appareil de notre photographe surexcité, la mijoteuse est vide. La lave n’est presque plus incandescente, mais gare à qui oserait y toucher à main nue avant le lendemain !
Reste qu’en raison de leur petite taille, ces coulées expérimentales refroidissent beaucoup plus vite que les coulées naturelles. La lave n’a pas le temps de former des cristaux et présente donc un aspect vitreux une fois refroidie. Elle sera alors facile à casser, et les tessons pourront retourner dans la fournaise lors d’une démonstration suivante. « Nous utilisons généralement un mélange de basalte vierge et de basalte recyclé des expériences précédentes. Puisqu’elle ne contient pas de cristaux, la lave recyclée fond très facilement », précise Jeff Karson.
Les étudiants s’apprêtent à repartir. « Monsieur, pour les points bonus… » « Le quiz sera en ligne ! » répond le professeur.
Expériences analogues
La fine maîtrise du processus par l’équipe – et la taille colossale du four – permet à des volcanologues du monde entier de réaliser des expériences cruciales, impossibles ailleurs. « Traditionnellement, il y a deux approches en volcanologie, explique Jeff Karson. Quand vous étudiez un volcan actif, c’est dangereux. Vous êtes en région isolée, vous ne savez pas ce qui va se produire, vous ne contrôlez rien, mais vous pouvez observer, documenter. Et en laboratoire, vous pouvez travailler sur de petits volumes de matériaux fondus pour tester différentes viscosités, par exemple. Ici, nous sommes quelque part entre ces deux approches. »
La volcanologue de la North Carolina State University Arianna Soldati a pu tester à Syracuse l’effet de la présence de bulles de gaz sur la consistance de la lave. En mélangeant du basalte vierge et recyclé en différentes proportions, la spécialiste produit des laves plus ou moins riches en bulles. Des recherches impossibles à mener dans son laboratoire. « Mon creuset ne mesure que quelques centimètres, alors les bulles s’échappent avant même que l’expérience commence ! À Syracuse,
il reste beaucoup de bulles même après plusieurs heures de chauffage. » Elle a ainsi pu montrer que, dans certains cas, les bulles ralentissent l’écoulement, alors que, dans d’autres, elles l’accélèrent.
Déterminer jusqu’où la lave pourrait s’écouler et à quelle vitesse est essentiel pour gérer les risques. « À travers le monde, 500 millions de personnes vivent à proximité de volcans. En cas d’éruption, nous devons savoir quelles zones sont à risque et de combien de temps on dispose pour les évacuer », indique Arianna Soldati.
D’autres scientifiques ont pu documenter l’évolution d’une coulée en trois dimensions à l’aide d’un agencement de caméras haute résolution, vidéo et infrarouge. On a même testé l’efficacité de différentes barrières physiques pour bloquer un flot de lave.
Car une coulée de lave est un système extrêmement complexe. « Ce n’est pas une coulée d’eau, souligne le volcanologue Glyn Williams-Jones, de l’Université Simon Fraser, en Colombie-Britannique. Au fur et à mesure que la lave s’écoule, sa composition change. Plus elle refroidit – un processus qui s’échelonne sur des jours, des mois ou des années dans le cas des coulées très épaisses –, plus les gaz volcaniques s’échappent et plus des cristaux se forment à l’intérieur. Elle devient plus
visqueuse et ralentit… Surtout sur les marges, alors que le centre, plus chaud, reste plus fluide. »
Le chercheur n’a jamais réalisé d’expériences à Syracuse, mais connaît bien le travail qui se fait là-bas et s’en sert pour mieux comprendre ce qu’il observe sur le terrain. « Les approches expérimentales, les modèles numériques et les observations de terrain sont très complémentaires. »
Les coulées de lave sont encore plus complexes lorsqu’elles se déroulent sur la neige ou la glace, comme c’est le cas pour plus de 200 volcans terrestres, notamment en Islande, au Kamtchatka (Russie), en Alaska… « On pourrait croire que la neige et la glace fondraient instantanément, mais ce n’est pas le cas. Le transfert de chaleur prend un certain temps, il faut beaucoup d’énergie pour faire fondre les cristaux de glace », explique Ben Edwards, volcanologue au Dickinson College, en Pennsylvanie. À Syracuse, il a pu mesurer précisément les distances d’écoulement, les taux de fonte de la glace, de refroidissement de la lave…. Des mesures presque impossibles à prendre sur le terrain.
Le géologue Jeff Karson ne se lasse pas d’observer la variété des formes créées par chaque coulée de lave. Le résultat final dépend de plusieurs paramètres : composition de la roche, quantité de lave déversée, pente, matériau récepteur (sable, neige, glace…), etc. Photo: Maxim Morin/OSA
Une fois refroidie, la lave ne ressemble plus à de la roche mate et poreuse, mais à des tessons de verre opaque d’un noir profond. Photo: Maxim Morin/OSA
« Quand des enfants du primaire viennent, raconte Jeff Karson, on leur fait lancer des boules de neige sur la lave brûlante. Elles résistent pendant plusieurs minutes sans fondre, c’est fou ! » Il a aussi déjà versé de la lave sur une pomme : « La lave refroidit au contact de la pomme et l’enrobe sans même la cuire ! C’est génial comme méthode pédagogique. »
« J’espère toujours qu’un d’entre eux décidera de faire carrière en science au lieu d’aller en administration… » rêve Robert Wysocki. Et pourquoi pas en art ? « Oui, j’espère qu’ils se rappelleront qu’on ne passe pas nos journées assis à peindre. Les artistes ont toujours été des innovateurs. »
À preuve, le maître de la lave a même fait une performance à la Nuit Blanche de Toronto et a contribué à créer deux « spectacles de lave » pour touristes en Islande. « J’ai fait plus de 2000 coulées de lave et, chaque fois, j’en ai le souffle coupé », confie-t-il.
De retour au pied du four le lendemain matin, nous constatons que la flaque de lave solidifiée a disparu, probablement jetée dans le chaudron par Lava Bob. Du spectacle hypnotisant de la veille, il ne reste plus que quelques tessons noirs sur le lit sablonneux, comme des restes d’un feu de camp. Le four gronde toujours quand nous remontons en voiture. D’autres que nous assisteront à la coulée prévue ce soir-là. Dix heures de route, pour dix minutes de lave ? Le jeu en aura valu la chandelle !
Des volcans extraterrestres
Les expériences menées à l’Université de Syracuse pourraient aider à mieux comprendre l’évolution de corps célestes. Ainsi, Arianna Soldati a étudié ce qui se passe quand la lave contient du fer, un phénomène très rare nommé « ferrovolcanisme ».
« Personne n’a jamais observé d’éruption ferrovolcanique active sur Terre, mais on soupçonne que certaines ont pu se produire par le passé, ici ou ailleurs dans le Système solaire, notamment sur l’astéroïde (16) Psyche », explique la spécialiste.
Cet astéroïde de 220 km de diamètre, qui fait partie de la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter, possède une surface riche en fer et en nickel… Mais comment interpréter les images captées lors de futures missions spatiales si on ne sait même pas à quoi ressemble une coulée ferrovolcanique? Grâce à des expériences analogues menées à Syracuse, Arianna Soldati a pu montrer que les coulées métalliques ou rocheuses sont de densités très différentes. Par conséquent, elles ne se mélangent pas : le métal coule dix fois plus vite, se faufilant entre les couches de lave. Cela produit des formes spécifiques que la chercheuse a récemment décrites dans la revue Nature Communications.
Arianna Soldati attend donc avec impatience le lancement de la mission Psyche de la NASA, actuellement prévu pour octobre 2023, et dont les premières images sont attendues en 2029.
