Une étude, dont les résultats intitulés «Slow-moving and far-travelled dense pyroclastic flows during the Peach Spring super-eruption» ont été publiés dans la revue Nature Communications, a permis d'apporter un nouvel éclairage sur la compréhension des mécanismes physiques responsables des écoulements pyroclastiques générés lors des super-éruptions volcaniques: alors que, jusqu'ici, «seul le modèle de mélange dilué turbulent permettait d’expliquer les distances de parcours considérables de ces écoulements», pour la première fois, des écoulements denses, engendrés par un très fort débit éruptif et une pression de gaz interstitielle soutenue, ont été identifiés.

Soulignons tout d'abord que «les super-éruptions volcaniques explosives, dont le volume dépasse 500 km3 de magma, constituent des phénomènes cataclysmiques rares mais extrêmement dévastateurs», générant «des écoulements pyroclastiques, mélanges de gaz et de fragments de roches à haute température, plus denses que l’atmosphère, qui dévalent les flancs des volcans, détruisant tout sur leur passage» dont les dépôts, appelés ignimbrites, «peuvent s’étendre sur des distances de plus de 100 km depuis le centre éruptif.

En fait, deux mécanismes physiques fondamentalement différents sont susceptibles d’opérer «lors du transport et du dépôt des écoulements pyroclastiques: un écoulement rapide et dilué (contenant moins d’1 % de particules, en volume), dont la turbulence maintient les particules en suspension, ou bien un mélange avec une concentration quasi-maximale en particules, au sein duquel la pression de gaz interstitiel réduit la friction interne», mais, jusqu'ici, seul le modèle d’écoulement dilué a «pu être démontré quantitativement, requérant des vitesses de propagation supérieures à 200 m/s.

En vue «de comprendre le comportement des écoulements pyroclastiques à partir d’un exemple bien caractérisé, afin de définir un modèle applicable à l’ensemble des super-éruptions se produisant sur Terre», l'étude ici présentée a analysé «l’ignimbrite de Peach Spring (en Arizona, aux États-Unis), formée par des écoulements de plus 170 km lors d’une éruption survenue il y a 18,8 millions d’années, émettrice de plus de 1300 km3 de magma et ayant conduit à la formation d’un cratère volcanique géant (ou caldera)».

Une première analyse, qui s'est focalisée sur «la présence, dans l’ignimbrite étudiée, de gros blocs de roches (> 0,5-1 m) présents initialement sur le substrat et entrainés par les écoulements pyroclastiques», a permis de faire apparaître «que de tels blocs n’avaient pas pu être mis en mouvement par des écoulements dilués à des vitesses réalistes». Ensuite, pour comprendre ce phénomène d’entrainement, «la propagation d’un écoulement pyroclastique sur un substrat de particules» a été simulée en laboratoire.

La procédure, qui a consisté «à générer, à petite échelle, un écoulement gravitaire constitué d’un mélange dense de particules solides et d’air», a ainsi «montré, pour la première fois, qu’un gradient de pression généré à la base de l’écoulement permet de soulever les particules du substrat, qui sont alors incorporées dans l’écoulement et entrainées vers l’aval».

L'application de «la loi expérimentale qui relie la taille des particules du substrat entrainées à la vitesse de l’écoulement», a alors permis d'évaluer entre 5 et 20 m/s «la vitesse des écoulements pyroclastiques qui ont formé l’ignimbrite Peach Spring» et, sur la base de «cette vitesse, sur une distance de parcours minimale de 170 km», d'estimer «la durée de l’éruption (entre 2,5 et 10 heures), et son débit (107-108 m3/s), supérieur à ceux connus jusque-là».

Il résulte de l'ensemble de ces éléments «que lors d’une super-éruption, un fort débit éruptif pendant plusieurs heures et une pression de gaz interstitielle soutenue dans les écoulements pyroclastiques peuvent être plus efficaces qu’une suspension diluée extrêmement rapide pour causer de très grandes distances de parcours».

En conséquence, cette étude, qui incite «à reconsidérer les interprétations de nombreuses ignimbrites générées par des super-éruptions au cours de l’histoire de la Terre», ouvre des perspectives nouvelles d'évaluation des aléas volcaniques, «notamment le long de la Cordillère des Andes, qui regroupe certains des volcans les plus actifs du monde : Chimborazo, Cotopaxi, Tungurahua (Equateur), Ubinas, Misti (Pérou), Lascar, Villarrica, Calbuco (Chili)…».