Contribution des éruptions volcaniques à la chimie atmosphérique par l’étude du brome dans les magmas

Par Cécile Pérol / Publié le 17 septembre 2018

Evaluer la contribution des éruptions volcaniques à la chimie atmosphérique et leur impact environnemental, à travers le comportement du brome dans les magmas, ce sont les travaux qui viennent d’être publiés dans la revue Earth and Planetary Science Letters.

Le dégazage volcanique peut être une source non négligeable en halogènes (fluor, chlore, brome) pour l’atmosphère terrestre. Lors d’éruptions explosives, les gaz halogénés rejetés, en particulier le monoxyde de brome (BrO), ont la capacité d’appauvrir significativement l’ozone stratosphérique à l’échelle globale. Afin d’évaluer correctement la contribution des éruptions volcaniques à la chimie atmosphérique et leur impact environnemental, il est fondamental de comprendre le comportement du brome dans les magmas et plus précisément son degré d’affinité avec la phase gazeuse. Cette question est l’objet d’une étude qui vient de paraître dans la revue Earth and Planetary Science Letters, et menée par des chercheurs de L'Institut des Sciences de la Terre d'Orléans (CNRS/BRGM/Université d’Orléans), du laboratoire Géosciences Paris-Sud (Université Paris-Sud/CNRS, Orsay), du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (Université de Lorraine/CNRS), de l’université d’Oxford (UK), de l’université de Palerme (Italie) et de l’Institut national de géophysique et de vulcanologie (Italie).

Bien que le brome soit présent en traces dans les gaz volcaniques, il est très réactif et joue un rôle important dans la chimie atmosphérique (Fig. 1). Ainsi, s’il est beaucoup moins abondant que le chlore, un atome de brome impliqué dans un cycle catalytique (Fig. 1) s’avère être environ 45 fois plus efficace à détruire l’ozone qu’un atome de chlore. Lors d’éruptions volcaniques explosives suffisamment puissantes pour projeter des gaz jusqu’à la stratosphère, la couche d’ozone peut ainsi être significativement réduite à l’échelle globale (http://www.insu.cnrs.fr/node/5375). L’ozone stratosphérique étant un gaz indispensable à la vie sur Terre, comprendre le comportement du brome dans les magmas est donc nécessaire afin d’évaluer correctement la contribution des éruptions volcaniques à la chimie atmosphérique et leur impact environnemental (santé humaine, écosystèmes, climat).


Le brome d’origine volcanique est émis sous forme HBr (bromure d’hydrogène), au contact de l’atmosphère, il entre dans un cycle de réactions chimiques hétérogènes (faisant intervenir les aérosols soufrés) nommé ‘bromine explosion’ ; ce cycle catalytique aboutit à une production rapide et importante de BrO, forme réactive du brome, qui conduit à une destruction de l’ozone troposphérique au sein même du panache et régionalement. Si le panache atteint la stratosphère, la couche d’ozone peut être réduite de manière importante et à l’échelle globale (figure modifiée par A. Cadoux d’après la thèse de L. Grellier, 2014)


A ce jour, le partage du brome entre le liquide silicaté et la phase gazeuse d’un magma est très peu connu ; les études expérimentales existantes concernent uniquement des liquides synthétiques de compositions siliceuses (riches en SiO2). Dans cette étude, les scientifiques ont effectué des expériences de partage entre un fluide aqueux (gaz) et un liquide silicaté en utilisant des verres volcaniques naturels de compositions basique, intermédiaire et siliceuse. Pour chaque composition, les expériences ont été menées avec différentes teneurs en brome dans le fluide initial, à des pressions et températures représentatives de réservoirs crustaux superficiels d’arcs volcaniques (100-200 MPa, 900-1200°C). D’une manière générale, les résultats suggèrent que les magmas siliceux et relativement ‘froids’ seraient une source plus importante de brome pour l’atmosphère que les magmas de composition plus basique et plus chauds (Fig. 2).


Coefficients de partage gaz/liquide (DBrg/l) en fonction de la teneur en silice des liquides magmatiques (compositions basaltique à rhyolitique). Plus la teneur en silice du liquide magmatique est élevée, plus le brome a tendance à se concentrer dans la phase gazeuse. Sur cette figure, on peut également observer un effet de la température, du moins pour les liquides les plus siliceux (SiO2 > 70% poids) : lorsque la température du liquide diminue, DBrg/l augmente.


Un modèle visant à prédire le comportement du soufre, du chlore et du brome lors du dégazage des systèmes volcaniques de type basaltique (SiO2 < 52% poids) est en développement. Le modèle préliminaire montre que le gaz magmatique et le liquide silicaté co-existants dans ces systèmes évoluent d’une composition riche en soufre vers une composition enrichie en chlore et brome (comparée au soufre) au fur et à mesure du dégazage (Fig. 3). En reportant les premières teneurs en brome d’inclusions vitreuses(*) de l’Etna, du Stromboli, du Mérapi et du Santorin et en couplant ces données aux coefficients de partage obtenus, les auteurs calculent la masse de brome disponible dans le réservoir magmatique avant les éruptions considérées.


(a) Compositions en S, Cl et Br*300 de gaz volcaniques provenant de volcans d’arc de type basaltique. (b) Compositions en S, Cl et Br*300 d’inclusions vitreuses* de l’Etna et du Stromboli. Le modèle simple développé dans cette étude permet de reproduire les compositions des gaz volcaniques de l’Etna et des autres systèmes basaltiques. Il montre également que les gaz et le liquide magmatique coexistant évoluent de compositions riches en soufre vers des compositions enrichies en chlore et brome (par rapport au soufre) avec le degré croissant de dégazage.

 

Note :

(*) : gouttelettes de liquide magmatique piégées dans les cristaux

Source :
Cadoux A., Iacono-Marziano G., Scaillet B., Aiuppa A., Mather T.A., Pyle D.M., Deloule E., Gennaro E., Paonita A. (2018), The role of melt composition on aqueous fluid vs. silicate melt partitioning of bromine in magmas, Earth Planet. Sci. Lett., 498, 450–463.
https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.06.038

Contact :

Anita Cadoux : anita.cadoux @ u-psud.fr

Dernière modification le 17 septembre 2018