Mots clés : fumerole, soufre, volcan

Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumeroles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

27/06/2016

Résumé

Soufre volcanique des Iles Éoliennes et seul exemple connu de soufre volcanique en France métropolitaine, au pied du Puy de Sancy.


Figure 1. Une fumerole sur le Vulcano (Iles Éoliennes, Italie) avec d'importants dépôts de soufre autour des points et fissures de sortie

Les panaches blancs correspondent à des aérosols de gouttelettes d'eau très enrichies en SO3 (trioxyde de soufre) en train de devenir H2SO4 (acide sulfurique) par hydratation (SO3 + H2O → H2SO4 ).


Figure 2. Fumerole sur le Vulcano (Iles Éoliennes, Italie) avec d'importants dépôts de soufre autour des points et fissures de sortie

Les panaches blancs correspondent à des aérosols de gouttelettes d'eau très enrichies en SO3 (trioxyde de soufre) en train de devenir H2SO4 (acide sulfurique) par hydratation (SO3 + H2O → H2SO4 ).


Le Vulcano est l'un des volcans "actifs" les plus faciles à visiter en Europe. Il est actuellement en sommeil, sa dernière éruption date de 1890. Mais bien que sans activité magmatique superficielle actuelle, il est le siège d'intenses dégagements fumeroliens, très spectaculaires, principalement au niveau de l'ancien cratère de 1890.

Les régions volcaniques sont très souvent riches en fumeroles et solfatares, zones de fissures, de bouches et d'évents crachant des gaz et fluides divers et s'entourant de dépôts variés, en particulier de dépôts jaunes de soufre. Il existe toute une classification/terminologie pour distinguer ces différentes sorties. Souvent on parlera préférentiellement de fumeroles si la température de sortie des gaz est supérieure à 300°C, de solfatares si la température est comprises entre 100 et 300°C. Cette séparation est souvent assez arbitraire, car la température mesurée dépend de la profondeur à laquelle on effectue la mesure, elle peut aussi varier au cours de la journée ou de l'année... Nous n'avons pas mesuré la température des gaz émis sur le Vulcano en ce mois d'avril 1982, et nous emploierons le terme de fumerole au sens le plus large.

Les gaz émis par ces fumeroles sont généralement composés, dans l'ordre décroissant, de : H2O (au moins 75%), CO2, SO2, H2S, HCl, Svapeur, HF, chlorures, sulfures et sulfates divers... Les principaux dépôts fumeroliens sont constitués de soufre bien jaune, et de sels divers (sulfates et chlorures principalement) en général blancs. Les dépôts de soufre peuvent avoir deux origines. Soit il s'agit de vapeur de soufre (abondante si T>300°C) qui se condensent en arrivant en surface où la température est faible, soit il s'agit de l'oxydation incomplète d'H2S par l'oxygène atmosphérique (ou celui présent dans les nappes phréatiques) selon la réaction 2 H2S + O2 → 2 Ssolide + 2 H2O.

En abondance, les composés soufrés, sont les troisièmes parmi les gaz volcaniques. Le soufre est présent dans le manteau, mais en faible quantité (≈ 500 ppm). Lors des processus de fusion partielle, les composés volatils et/ou incompatibles (dont H2O, CO2 et soufre) passent préférentiellement dans la phase liquide (dans le magma). Lors de la cristallisation de ce magma, ces composés volatils et/ou incompatibles restent préférentiellement dans le liquide résiduel qui s'enrichit encore en H2O, CO2 et composés soufrés. Ce sont ces composés volatils et incompatibles qui sont "doucement" libérés par le magma sur et au voisinage des volcans, même pendant les phases calmes, en dehors des phases éruptives. Ces fluides volcaniques sont très acides (H2SO4 surtout, mais aussi HCl...) ; ils attaquent les roches à travers lesquelles ils cheminent et se chargent des ions ainsi produits. C'est pourquoi il se dépose, à côté du soufre, des sels divers, dont les plus fréquents sont des sulfates doubles d'aluminium et de potassium, sels souvent regroupés sous les noms d'alun ou d'alunite, bien qu'en réalité ces deux termes désignent deux sulfates d'aluminium et de potassium différemment hydratés. L'alun de Vulcano a été exploité depuis l'époque romaine jusqu'à la fin du XIXème siècle.

On peut remarquer que les volcans associés aux subductions, comme le Vulcano, émettent en général plus de soufre que les volcans d'autres origines. Cette richesse en soufre est due à la richesse en soufre des fluides "crachés" par la lithosphère en subduction, fluides à l'origine de la fusion partielle du manteau. Ces fluides "crachés" par la lithosphère océanique sont riches en soufre parce que la lithosphère océanique a été enrichie en sulfures par l'hydrothermalisme des dorsales. L'eau de mer qui s'infiltre dans la lithosphère océanique est très riche en soufre (sous forme de SO4 2-, le deuxième anion de l'eau de mer, présent dans cette eau de mer à une concentration de 2,7 g/L). Ces ions sulfates sont en grandes partie réduits (car transformés en sulfures) lors de leur cheminement intra-lithosphérique, et immobilisés dans la lithosphère jusqu'à être re-libérés dans les zones de subduction.

Outre les figures 1 et 2, nous vous montrons 5 figures montrant le cadre morpho-structural de ces fumeroles du Vulcano, puis 12 figures détaillants les cristallisations de soufre et sulfates que l'on peut y admirer. Et pour finir, nous vous monterons 3 figures qui se rapportent au seul gisement de soufre volcanique de France métropolitaine, dans le massif du Sancy. Presque toutes les photos de Vulcano (sauf les figures 13 et 14) sont d'anciennes diapositives prises en 1982 sous un ciel nuageux (et parfois très gris) ce qui explique que les couleurs des dépôts de soufre n'aient pas toujours leurs teintes éclatantes habituelles.

Figure 3. La bordure Nord-Nord-Est du cratère de 1890 du Vulcano (Italie)

Les photos sont prises en direction du NO. Le vent rabat les vapeurs vers l'intérieur du cratère, ce qui permet de traverser le champ fumerolien sans être (trop) incommodé par les gaz.


Figure 4. La bordure Nord-Nord-Est du cratère de 1890 du Vulcano (Italie)

Les photos sont prises en direction du NO. Le vent rabat les vapeurs vers l'intérieur du cratère, ce qui permet de traverser le champ fumerolien sans être (trop) incommodé par les gaz.

Cette photo a été prise un jour après les photos 3 et 5, avec plus le soleil ce qui permet de mieux apprécier le jaune des dépôts de soufre.


Figure 5. Vue sur la bordure Nord-Nord-Est du cratère de 1890 du Vulcano (Italie)

Les photos sont prises en direction du NO. Le vent rabat les vapeurs vers l'intérieur du cratère, ce qui permet de traverser le champ fumerolien sans être (trop) incommodé par les gaz.


Figure 6. Vue sur le bord du cratère du Vulcano datant de 1890, riche en fumeroles en ce printemps 1982

La photo a été prise en direction du NNE. Les taches jaunes qui zèbrent le flanc du cratère correspondent à des fumeroles inactives en 1982.


Figure 7. Vue aérienne du Vulcano dans son état de 2015

Toutes les photos présentées ici ont été prises au niveau (ou en direction) de la "tache blanche" indiquée par une flèche.


Le soufre solide existe sous deux formes cristallines : le soufre α, jaune clair et cristallisant dans le système orthorhombique, et le soufre β, jaune foncé à rougeâtre, cristallisant dans le système monoclinique. À la pression atmosphérique, le soufre α est stable à une température inférieure à 96°C. Le soufre β est stable entre 96°C et 112°C, sa température de fusion. Le soufre liquide (T >112°C) est jaune foncé à rougeâtre comme le soufre β. Quand il se condense du soufre solide à partir de soufre vapeur, de nombreux phénomènes liés à la cinétique font que la cristallisation n'est pas toujours à l'équilibre. Mais, en général, il cristallise des aiguilles de soufre β, jaune foncé à rougeâtre, qui deviennent rapidement α, jaune "citron". La forme en aiguille subsiste, mais correspond alors à un agrégat/assemblage de petits cristaux de soufre α, agrégat très fragile. C'est pourquoi ramasser de beaux cristaux de soufre sur un volcan est décevant, car très souvent ils se brisent pendant le voyage de retour. Et si on les emballe bien dans du papier ou du tissu, ces derniers se trouvent assez souvent "rongés" par l'acide sulfurique qui se dégage des échantillons. Le soufre liquide (T >112°C) est assez rare sur le Vulcano. Il a une couleur rouge foncé à brun. On retrouvera des détails sur les différentes phases du soufre dans l'article Changements de phases du soufre, analogie avec le métamorphisme .

Figure 8. Vue globale d'un évent par où sort le mélange gazeux classique du Vulcano et dont les bords se recouvrent de soufre

Cet évent mesure environ 1 m de longueur.


Figure 9. Cristallisations de soufre tapissant évents ou fissures du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)

Ce soufre peut avoir deux origines. (1) Il peut résulter de la condensation de vapeur de soufre directement sous une phase solide, un peu comme des aiguilles de glace qui précipitent sous forme de givre lors des froides nuits d'hiver. (2) Il peut résulter de l'oxydation d'H2S par l'O2 atmosphérique.

Ces cristaux ont très souvent la forme en aiguille du soufre β, mais la couleur du soufre α, car la température de l'air mélangé aux vapeurs plus chaude a généralement une température < 96°C. La dynamique et la cinétique de ces réactions devraient être précisées, par exemple par des mesures de température, ce que je n'ai pas fait en 1982, étant à l'époque simple jeune touriste.


Figure 10. Cristallisations de soufre tapissant évents ou fissures du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)

Ce soufre peut avoir deux origines. (1) Il peut résulter de la condensation de vapeur de soufre directement sous une phase solide, un peu comme des aiguilles de glace qui précipitent sous forme de givre lors des froides nuits d'hiver. (2) Il peut résulter de l'oxydation d'H2S par l'O2 atmosphérique.

Ces cristaux ont très souvent la forme en aiguille du soufre β, mais la couleur du soufre α, car la température de l'air mélangé aux vapeurs plus chaude a généralement une température < 96°C. La dynamique et la cinétique de ces réactions devraient être précisées, par exemple par des mesures de température, ce que je n'ai pas fait en 1982, étant à l'époque simple jeune touriste.


Figure 11. Cristallisations de soufre tapissant évents ou fissures du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)

Ce soufre peut avoir deux origines. (1) Il peut résulter de la condensation de vapeur de soufre directement sous une phase solide, un peu comme des aiguilles de glace qui précipitent sous forme de givre lors des froides nuits d'hiver. (2) Il peut résulter de l'oxydation d'H2S par l'O2 atmosphérique.

Ces cristaux ont très souvent la forme en aiguille du soufre β, mais la couleur du soufre α, car la température de l'air mélangé aux vapeurs plus chaude a généralement une température < 96°C. La dynamique et la cinétique de ces réactions devraient être précisées, par exemple par des mesures de température, ce que je n'ai pas fait en 1982, étant à l'époque simple jeune touriste.


Figure 12. Cristallisations de soufre tapissant évents ou fissures du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)

Ce soufre peut avoir deux origines. (1) Il peut résulter de la condensation de vapeur de soufre directement sous une phase solide, un peu comme des aiguilles de glace qui précipitent sous forme de givre lors des froides nuits d'hiver. (2) Il peut résulter de l'oxydation d'H2S par l'O2 atmosphérique.

Ces cristaux ont très souvent la forme en aiguille du soufre β, mais la couleur du soufre α, car la température de l'air mélangé aux vapeurs plus chaude a généralement une température < 96°C. La dynamique et la cinétique de ces réactions devraient être précisées, par exemple par des mesures de température, ce que je n'ai pas fait en 1982, étant à l'époque simple jeune touriste.


Figure 13. Évent entouré de soufre mais dont les parois internes ont la couleur jaune foncé-rougeâtre caractéristique du soufre β ou du soufre fondu

Ces parois internes ont donc forcément une température supérieure à 96°C s'il ne s'agit que de soufre β, et même une température de 112°C s'il s'agit de soufre β mélangé avec une fraction de soufre liquide.

Retrouvez cette photo (et d'autres) dans Hydrovolcanologie appliquée à la phase hydrothermale : fumeroles, solfatares, geysers, lacs acides, mofettes, sources chaudes…


Figure 14. Évent entouré de soufre mais dont les dépôts ont la couleur jaune foncé-rougeâtre caractéristique du soufre β ou du soufre fondu

Ces zones rougeâtres ont forcément une température supérieure à 96°C s'il ne s'agit que de soufre β, et même une température de 112°C s'il s'agit de soufre β mélangé avec une fraction de soufre liquide. La géométrie "en coulée" plaide, ici, en faveur de l'existence d'une fraction de soufre liquide.

Retrouvez cette photo (et d'autres) dans Hydrovolcanologie appliquée à la phase hydrothermale : fumeroles, solfatares, geysers, lacs acides, mofettes, sources chaudes…


Figure 15. Évent entouré de soufre mais dont le fond contient des masses visqueuses d'un jaune très foncé

Il s'agit là de "flaques" de soufre fondu dont la température est très élevée (>170°). Le soufre liquide est un fluide très peu visqueux (comme de l'eau) sauf entre 170 et 240°C, gamme de température dans laquelle les molécules se polymérisent. On obtient alors un soufre extrêmement visqueux, un peu comme du caramel. On parle de « soufre mou ». La surface du soufre fondu au fond du trou n'est absolument pas horizontale, mais bombée. Il s'agit là très vraisemblablement de soufre mou. La température au fond du trou principal de la photo est donc comprise entre 170°C et 240°C. Des dépôts blancs sont visibles à droite de l'image.


Figure 16. Évent bordé de beaucoup de soufre, mais dont la partie centrale en est dépourvue

On peut supposer qu'il s'agit là d'une application du « principe de la paroi froide » : la vapeur d'une substance A (ici du soufre) se condense préférentiellement sur les zones les plus froides et la substance A, par sublimation au niveau des zones chaudes / condensation au niveau des zones froides, quitte les zones chaudes pour se déposer au niveau des zones froides. Les cailloux non recouverts de soufre semblent malgré tout recouvert de dépôts blanchâtres (sulfates ?).





Dans l'imagination et l'imagerie populaire, le soufre est associé aux volcans, ce qui est vrai qualitativement, mais pas du tout quantitativement. Le très célèbre gisement du Kawah Ijen (Indonésie) (cf. Le soufre du Kawah Ijen ), abondamment mis en valeur par diverses émissions de télévision et agences de tourisme, produit en moyenne 200 t/an de soufre, alors que la production mondiale (pour les besoins de l'industrie chimique, de l'agriculture...) est d'environ 60 000 000 tonnes de soufre par an (chiffre 2015). La quasi-totalité de ce soufre est d'origine sédimentaire, associé aux sulfates et/ou aux charbons et hydrocarbures. Le soufre sédimentaire est très présent en France métropolitaine (cf., par exemple, Soufre natif, gypse et sulfato-reduction ), où il a été exploité dans les sédiments oligocènes du Sud-Est (bassin de Narbonne, d'Apt...). Le soufre volcanique est bien sûr présent en Martinique, à la Guadeloupe et à La Réunion, mais, étonnamment, est très rare dans les volcans du Massif Central. Le seul gisement que je connaisse est situé dans le Massif du Sancy, dans un ravin nommé le Ravin de la Craie, où il y a association d'alunite et de soufre. Cette alunite a été exploitée artisanalement à la fin du XVIIIème / début du XIXème siècle. Le grand naturaliste auvergnat Henri Lecoq décrit ainsi ce gisement dans le tome 3 (p. 212) de son monumental ouvrage Les époques géologiques de l'Auvergne (1867) : « C'est une roche trachytique dont il est difficile de déterminer l'allure et la puissance. […]Elle contient une quantité variable, mais toujours peu considérable, de sous-sulfate d'alumine et de potasse […] Tantôt la roche prend l'aspect d'une véritable brèche, tantôt celui d'une scorie. Les cavités sont vides ou remplies par du soufre d'un jaune pur en globules fondus. Quelquefois pourtant ce soufre est cristallisé ». Un tel échantillon était présent en 1968 dans le musée Lecoq (le musée d'histoire naturelle de Clermont-Ferrand). Et j'avais repéré cet échantillon qui faisait envie au géologue en herbe que j'étais. Cent ans après Henri Lecoq, j'ai pu aller sur le terrain un dimanche après-midi chercher de tels échantillons avec un copain. Il ne restait aucune trace de l'ancienne exploitation, ni aucun affleurement montrant du soufre. Mais j'étais jeune (16 ans) et peut-être n'avais-je pas su les découvrir. Par contre, j'ai souvenir d'une assez forte odeur soufrée. Et nous avons pu découvrir à un endroit où le ruisseau local recoupait un tas d'éboulis (déblais de l'ancienne exploitation ?) un bloc de plus de 20 kg dont l'aspect correspondait tout à fait à l'échantillon du musée et à la description faite par Henri Lecoq. Et j'ai gardé un morceau de ce bloc. Depuis 1968, 48 ans se sont écoulés et la visibilité de l'affleurement s'est encore dégradée car tout ce pied du Puy de Sancy est intégré dans le domaine skiable du Mont-Dore et a été fortement "aménagé" (nivelé, engazonné, équipé de remontée mécaniques...) pour récupérer quelques centaines de mètres carrés skiables supplémentaires. Peut-on encore aujourd'hui voir le seul soufre volcanique de France métropolitaine ?



Figure 22. Localisation du Ravin de la Craie au pied du Puy de Sancy, dans la haute vallée de la Dordogne juste en amont de la ville du Mont-Dore (Puy de Dôme)

Ce versant Nord du Puy de Sancy correspond à un cirque glaciaire würmien entaillant le stratovolcan du Sancy qui date de -1 à -0,25 Ma.


Figure 23. Localisation du Vulcano (Italie) et du Puy de Sancy (France)


Mots clés : fumerole, soufre, volcan