Erreurs de la datation K/Ar dues à l’enrichissement des roches volcaniques en composants volatils.

Par Konstantin Scripko

Konstantin Scripko¹

Résumé : L’argon 40 servant au calcul des âges par la méthode K/Ar (potassium-argon) ne provient pas seulement de la désintégration du potassium radioactif. De l’argon issu du magma reste présent dans les cendres et laves produites par les éruptions volcaniques en raison d’un phénomène physicochimique bien connu : la cristallisation a lieu avant la sortie des laves à l’air libre (où elles peuvent dégazer). Par ailleurs, la viscosité des laves augmente très rapidement avec la baisse de température, et la concentration en éléments volatils est plus forte vers le haut du volcan. On comprend ainsi pourquoi différents minéraux issus de la même éruption donnent , à l’analyse, des  » dates  » K/Ar notablement différentes.

Le magma montant vers la surface contient des éléments volatils : H₂O et CO₂ principalement, puis H₂S, SO₂, HCl, HF, N₂, Ar, He et quelques autres.

Ils sont issus de roches magmatiques, métamorphiques et sédimentaires dont la fusion produit les minéraux du magma. On trouve dans ces roches l’argon radiogénique et l’hélium radiogénique accumulés lors de la désagrégation antécédente du potassium et des éléments de la série de l’uranium ou du thorium présents dans les minéraux anciens. Cet argon et cet hélium sont toujours présents lors de la fusion totale ou partielle des roches qui vont donner le magma. Tous ces éléments volatils sont dissous dans les minéraux en fusion, là où s’élabore la lave (compte tenu des hautes pressions existant en profondeur), et le demeurent durant la plus grande partie de leur ascension ; en arrivant près de la surface, comme la pression diminue, ils commencent seulement alors à se dégager des minéraux, comme les bulles d’une eau gazeuse lorsqu’on ouvre le bouchon.

Cette séparation entre les éléments volatils dissous et les minéraux, et donc la formation d’une phase gazeuse indépendante, peut être entravée par la haute viscosité des laves.

La viscosité augmente rapidement avec la diminution de la température, et surtout avec l’apparition d’une phase cristalline et avec la vitrification de certains minéraux.

La viscosité est maximale dans les silicates acides (riolite et riolithodacite), lesquels comportent 65 à 70 % de SiO₂ (y compris 25 à 30 % du SiO₂ (silice) qui n’entre pas dans la composition des silicates et aluminosilicates). Entre 1.100°C et 1.400°C, leur viscosité est triple de celle de la plupart des minéraux du magma à la même température. Cette haute viscosité des laves volcaniques acides commande le trait caractéristique de certaines éruptions : les explosions puissantes et catastrophiques détruisant une partie du cône du volcan, avec écoulement subséquent de véritables fleuves d’agglomérats de pierre-ponce (éruption de type péléen²). Une des plus fortes éruptions du XX^ème siècle, celle du Mont Saint-Helens en 1980, fut précisément de ce type.

Les éruption de type péléen se produisent généralement après une longue pause (parfois des centaines d’années). Un fort bouchon de lave solidifiée obstrue donc la cheminée du volcan; et il faut une puissante explosion initiale pour le détruire et permettre la nouvelle éruption. Auparavant, une énorme quantité de composés volatils (H₂O et CO₂ principalement, mais aussi les autres gaz dont l’argon) s’accumule dans le haut de la colonne de lave, sous le bouchon. La pression monte à 200 ou 300 bars (parfois même 500 à 700 bars). Au moment de l’explosion se produit bien une baisse de la pression dans le magma, mais brutale, et une partie des éléments volatils n’a pas le temps de passer en phase gazeuse en raison de la haute viscosité des minéraux dans cette zone.

Pour toutes ces raisons (enrichissement des alliages supérieurs en éléments volatils, abaissement instantané de la pression lors de l’explosion, viscosité du magma), les roches produites par une éruption volcanique sont toujours enrichies en éléments volatils, surtout les matériaux liés à l’explosion initiale (les cendres volcaniques et les matériaux issus de la partie haute de la colonne de lave projetée par l’explosion).

L’enrichissement en H₂O des laves issues du haut de la colonne de lave est manifeste dans leur composition minéralogique. Prenons le cas du Rézimianniy, volcan du Kamtchatka dont l’éruption a débuté le 30 mars 1956 après 700 à 800 ans de repos. Les premières laves sorties du volcan -les fleuves de pierre-ponce et les laves andésites du dôme- sont composées d’amphibole (silicate hydroxyle). Dans les laves issues des profondeurs de la colonne de lave, ayant coulé en 1961 et les années suivantes, des silicates anhydres (pyroxène) remplacent l’amphibole. De même sur le volcan Alaïd (au nord des îles Kouriles), on remarque de la biotite au lieu du pyroxène dans la fraction initiale des laves basaltiques subalcaliques de la brèche latérale.

Les roches produites par les éruptions volcaniques contiennent en abondance l’argon 40 issu des profondeurs du magma. Ce fait est bien connu des spécialistes. Pour une éruption récente, peu de temps donc après la solidification de la roche volcanique et la cristallisation des minéraux, l’argon magmatogénique (issu du magma) peut être plusieurs fois supérieur à l’argon radiogénique (produit par la désintégration du potassium 40 radioactif). C’est pourquoi la méthode K/Ar ne convient pas pour les roches volcaniques jeunes. En calculant l’âge résultant du rapport Argon 40 sur Potassium, on obtient une ancienneté apparente provoquée par l’abondance de l’argon magmatogénique. L’erreur sera d’autant plus forte qu’on utilise des laves contenant peu de potassium. Et au sein d’une lave, l’anomalie sera la plus marquée pour les composants minéraux pauvres en potassium.

Conclusions :

La présence d’argon profond (magmatogénique) en abondance dans les roches produites lors d’une éruption volcanique, induit une ancienneté apparente de ces roches lorsqu’on les date par la méthode potassium-argon. Cette anomalie sera d’autant plus nette dans les cas suivants :

Pour des laves à faible teneur moyenne en potassium (et pour les minéraux les plus pauvres en potassium si la datation est faite après séparation des composants minéraux).

Dans les produits d’explosion volcanique (cendres) pour lesquels le refroidissement rapide (et donc l’augmentation rapide de la viscosité) fait obstacle au dégazage total des éléments volatils solubles (dont l’argon 40 issu des profondeurs du magma).

Dans les matériaux projetés par l’explosion initiale à partir du haut de la colonne de lave, car ils étaient enrichis en éléments volatils.

Lors de l’éruption, la lave liquide et les produits de sa vitrification ne perdent pas tout l’argon profond qu’ils contenaient, car leur viscosité augmente très rapidement avec la baisse de température.

Quant aux minéraux cristallins des roches volcaniques, ils cristallisent en profondeur au cours de leur montée. S’ils contiennent de l’argon 40 profond adsorbé, en raison de la pression très élevée, il est difficile de supposer qu’ils vont perdre tout cet argon 40 lorsque la lave parvient à l’air libre: en effet, ils sont déjà à l’état solide à la température de sortie des laves en surface, et leur structure cristalline ne se détruit pas.

1 Le Pr. K. Scripko est le Chef de la section « Volcanisme » au Musée de la Terre de Moscou.

2 Ndlr. L’éruption de la Montagne Pelée le 8 mai 1902 à la Martinique provoqua la destruction de la ville de Saint Pierre et fit quelques 30.000 victimes. Le Préfet, alerté, n’avait pas voulu ordonner l’évacuation, de peur d’effrayer pour rien les habitants !… Un prisonnier en réchappa, protégé par l’épaisseur des murs de sa cellule.