Image de la semaine | 07/02/2022

L'histoire éruptive du Hunga Tonga-Hunga Ha'apai, archipel des Tonga, de l'an 1000 jusqu'à l'explosion du 15 janvier 2022

07/02/2022

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS de Lyon

Olivier Dequincey

ENS de Lyon / DGESCO

Résumé

Volcanisme et zone de subduction intra-océanique : une violente éruption à répercussions mondiales.


Image satellite (GK2A) prise au-dessus du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai, Tonga, le 15 janvier 2022 vers 18h, heure locale

Figure 1. Image satellite (GK2A) prise au-dessus du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai, Tonga, le 15 janvier 2022 vers 18h, heure locale

Le panache de cendres et de poussières, qui s'est élevé jusqu'à 20 à 30 km d'altitude, mesure de 400 à 500 km de diamètre.

Localisation par fichier kmz du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai (archipel des Tonga).


Autre image satellite (Himarawi-8) prise au-dessus du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai, Tonga, le 15 janvier 2022 vers 18h, heure locale

Figure 2. Autre image satellite (Himarawi-8) prise au-dessus du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai, Tonga, le 15 janvier 2022 vers 18h, heure locale

Le panache de cendres et de poussières, qui s'est élevé jusqu'à 20 à 30 km d'altitude, mesure de 400 à 500 km de diamètre.


Le 15 janvier 2022 a eu lieu l'explosion volcanique la plus puissante depuis quelques dizaines d'années. Cette phase explosive paroxysmique qui a duré 8 minutes a eu lieu le 15 janvier 2022 de 17h10 à 17h18 (heure locale = heure TU + 13), alors que l'éruption avait commencé le 20 décembre 2021. Le volcan entré en éruption a un nom complexe (Hunga Tonga-Hunga Ha'apai), car ce nom provient de la réunion de deux iles (respectivement nommées Hunga Tonga et Hunga Ha'apai), réunion qui a eu lieu lors de l'éruption de 2014-2015. Ce volcan appartient à l'archipel des Tonga, chapelet de volcans situés à l'aplomb d'une zone de subduction, où la plaque Pacifique plonge dans l'asthénosphère en passant sous la plaque Indo-australienne (ici de nature océanique). Les laves sont majoritairement des andésites et des basaltes andésitiques. Étudier ce volcan en classe d'ici quelques années, quand les données seront bien connues, serait donc intéressant, car il s'agit d'un volcan de subduction assez classique, qui montre les effets (même lointains) que peuvent avoir ces volcans et parce que cela mettrait à bas une “définition” de la subduction très (trop) répandue, définition qui dit à tort qu'une subduction, c'est quand une lithosphère océanique s'enfonce sous une lithosphère continentale.

Dans la suite de cet article, nous allons étudier (1) l'histoire de ce volcan du XIe siècle à 2013, (2) l'éruption de 2014 à 2015, et (3) l'éruption récente qui a commencé en décembre 2021. Cet article a été rédigé et terminé très vite, à peine trois semaines après l'éruption majeure de janvier 2022, alors que l'éruption n'était peut-être pas terminée, alors qu'aucune publication scientifique n'était encore disponible. Il est basé sur les très nombreuses informations qui peuvent être trouvé sur la page dédiée du Global Volcanism Program de la Smithsonian Institution, sur des articles écrits à chaud sur Wikipédia (Éruption du Hunga Tonga en 2022 et Hunga Tonga) et sur de très nombreux articles de presse disponibles sur le web. Le même article écrit en 2024 serait donc vraisemblablement assez différent.

Contexte géodynamique d'Hunga Tonga-Hunga Ha'apai dans l'archipel des Tonga

Figure 3. Contexte géodynamique d'Hunga Tonga-Hunga Ha'apai dans l'archipel des Tonga

Chaque point rouge correspond à un volcan actif. La flèche violette indique le mouvement de la plaque Pacifique en mouvement vers l'Ouest-Nord-Ouest et subductant sous la plaque Indo-australienne. On a là un exemple typique d'une subduction océan/océan.

Les volcans actifs sont ceux recensés par le Global Volcanism Program.


L'histoire éruptive pré-2014

Jusqu'en 2014, le complexe volcanique était constitué de deux iles (respectivement nommées Hunga Tonga et Hunga Ha'apai) et de quelques petis ilots. Le Global Volcanism Program de la Smithsonian Institution signale 4 petites éruptions pré-2014 : 2009, 1988, 1937 et 1912. Il n'évoque pas l'histoire plus ancienne. Il s'agissait de petites éruptions sous-marines. Quand le volcan (cône de cendres phréatomagmatiques) émergeait comme en 2009, il disparaissait rapidement sous les coups de boutoir de l'érosion marine. Cette morphologie en deux iles séparées daterait d'une énorme éruption qui aurait eu lieu il y a environ 1000 ans. Un volcan “de bonne taille” aurait subi une éruption importante, et l'ile aurait été détruite par la violence de l'explosion et par la formation d'une caldeira à l'emplacement de l'ancien volcan. Les deux iles et quelques ilots au Sud représenteraient ce qui reste des bords de la caldeira. On aurait là un déroulement analogue (bien que beaucoup plus modeste) à l'éruption du Santorin (Grèce) vers 1600 avant J.C., éruption qui a détruit la civilisation minoenne.

Images aériennes de l'éruption de novembre 2013 dans l'archipel des Tonga

Figure 4. Images aériennes de l'éruption de novembre 2013 dans l'archipel des Tonga

En haut, image brute (annotée avec les initiales des deux iles) datant de 2013, avec les deux iles principales (Hunga Ha'apai [H.H.] et Hunga Tonga [H.T.]). Le petit volcan ayant émergé en 2009 à quelques centaines de mètres au Sud d'Hunga Ha'apai avait déjà disparu. En bas, un tracé possible et idéalisé de la caldeira a été rajouté (cercle rouge), en passant par les deux iles principales et par deux petits ilots au Sud.


Image aérienne de l'ile de Santorin (Grèce)

Figure 5. Image aérienne de l'ile de Santorin (Grèce)

Avant 1600 avant J.C., cette ile devait ressembler à un volcan bouclier ou à un stratovolcan classique. Vers −1600, explosion et/ou caldeira donnèrent à l'ile sa morphologie actuelle, à l'exception de l'ilot central de Néa Kaméni qui n'est apparu que vers 1570-1573 (après J.C.) et qui grandit depuis. Santorin serait un méga-équivalent du Hunga Tonga-Hunga Ha'apai.

Localisation par fichier kmz de l'ile de Santorin, Grèce.


Photographie aérienne de l'éruption de 2009 sur l'ile Hunga Ha'apai, archipel des Tonga

Figure 6. Photographie aérienne de l'éruption de 2009 sur l'ile Hunga Ha'apai, archipel des Tonga

À droite, on voit bien l'ile Hunga Tunga. Hunga Ha'apai est presque entièrement cachée par le panache éruptif.


L'éruption de 2014-2015

Du 19 décembre 2014 à la fin janvier 2015, une nouvelle éruption eut lieu entre les deux grandes iles. Cette éruption de type surtseyen avait toutes les caractéristiques des éruptions phréatomagmatiques : explosivité assez forte, panaches cypressoïdes… (cf. Figures d'impacts dans des dépôts phréato-magmatiques et/ou sutseyens des falaises de Capelas, île de Sao Miguel, Açores). En deux mois, cette éruption bâtit une ile qui atteignit 1000 m de large, 2000 m de long et 100 m de haut. La nouvelle ile rejoignit Hunga Ha'apai et les courants engendrèrent un isthme qui rejoignit Hunga Tonga. Les deux iles préexistantes n'en formèrent plus qu'une. L'éruption cessa fin janvier 2015.



Carte topographique des fonds sous-marins établie entre 2015 et 2021 par le volcanologue néo-zélandais Shane Cronin

Figure 9. Carte topographique des fonds sous-marins établie entre 2015 et 2021 par le volcanologue néo-zélandais Shane Cronin

Les petits cônes de 2009 et 1988 sont bien localisés, ainsi bien sûr que l'édifice de 2014-2015. On voit bien la caldeira. À l'Est, des dômes (non datés sur ce document) sont sub-émergeants. Si ces dômes sont faits de lave visqueuse, cela suggère que des processus de différenciation ont eu lieu dans le passé.


Modèle 3D du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai et de sa part (majoritaire) immergée tel qu’il était après l'éruption de 2014-2015 et avant l'éruption de 2021-2022

Figure 10. Modèle 3D du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai et de sa part (majoritaire) immergée tel qu’il était après l'éruption de 2014-2015 et avant l'éruption de 2021-2022

On voit très bien les deux restes du volcan du XIe siècle tel qu’ils émergeaient avant 2014, restes reliés par le nouveau volcan de 2014-2015. La caldeira du Moyen-Âge est bien visible.


L'éruption de 2021-2022

Une nouvelle éruption commença le 20 décembre 2021. Des explosions phréatomagmatiques violentes (cf. figures 10 et 11) ont été entendues de Nuku'alofa (la capitale des Tonga distante de 70 km du volcan), d'où l'on voyait des panaches de cendre. Un avis de danger a été émis à destination des compagnies aériennes, ainsi qu'une alerte de possible tsunami. Avec des hauts et des bas, l'éruption continua jusqu'au 11 janvier, date à laquelle les différentes alertes furent levées. Les images satellitales ont montré que l'édifice volcanique de 2014-2015 avait grandi (cf. fig. 12). L'éruption reprit avec plus de violence le 14 janvier vers 4h (heure locale), avec des colonnes éruptives de plusieurs kilomètres de large et de hauteur. Les autorités tongiennes relancèrent les alertes. Une image satellite prise le 15 janvier à 15h25 (cf fig. 14) montre qu'une bonne partie de l'édifice de 2014-2015 (agrandi entre le 20 décembre et le 11 janvier) a disparu. Ce même 15 janvier, à 17h10, débuta une phase surtseyenne et plinienne hyper-violente. Cette phase paroxysmale a duré 8 minutes avant de se calmer un peu. Le panache plinien atteint 15 à 20 km, s'étale de plusieurs centaines de kilomètres. Le lendemain (16 janvier), les cendres atteignaient 31 km d'altitude. Une image satellite du 17 janvier montre que la totalité de l'édifice de 2014-2015, au moins 70 % de l'ancienne ile d'Hunga Tonga et 40 % de l'ancienne ile d'Hunga Ha'apai ont disparu. Une image satellite radar prise le 15 janvier au soir montre que ces disparitions ont eu lieu dans les minutes (ou heures) qui suivirent l'explosion du 15 janvier, 17h10. Des études ultérieures, notamment bathymétriques (avec une comparaison avec l'état pré-15 janvier (figures 9 et 10), permettront d'estimer les parts relatives de l'explosion et d'un éventuel agrandissement de la caldeira (par subsidence) dans ces disparitions ou réductions de surface.

Éruption surtseyenne ayant précédé l'explosion du 15 janvier 2022, archipel des Tonga

Figure 11. Éruption surtseyenne ayant précédé l'explosion du 15 janvier 2022, archipel des Tonga

Ces éruptions ont, dans un premier temps, agrandi l'édifice de 2014-2015, puis l'on au contraire fait en partie disparaitre.


Éruption surtseyenne ayant précédé l'explosion du 15 janvier 2022, archipel des Tonga

Figure 12. Éruption surtseyenne ayant précédé l'explosion du 15 janvier 2022, archipel des Tonga

Ces éruptions ont, dans un premier temps, agrandi l'édifice de 2014-2015, puis l'on au contraire fait en partie disparaitre.


Image satellite du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai prise le 7 janvier 2022

Figure 13. Image satellite du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai prise le 7 janvier 2022

En comparant avec la figure 8 (prise en 2016) on voit bien que l'édifice de 2014-2015 a grandi.


Image satellite du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai prise le 15 janvier à 15h25, moins de deux heures avant l'explosion paroxystiques de 17h10

Figure 14. Image satellite du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai prise le 15 janvier à 15h25, moins de deux heures avant l'explosion paroxystiques de 17h10

Une bonne partie de l'édifice de 2014-2015, agrandi en décembre 2021 – début janvier 2022, a déjà disparu.



Figure 16. Série d'images de l'éruption dans l'archipel des Tonga prises par un satellite géostationnaire entre 17h10 et 18h50 et passées en accéléré

On voit très bien l'étalement du panache éruptif et le départ d'une onde de choc atmosphérique. L'image recouvre une surface de 1000×1000 km.

Animation disponible avec d'autres résolutions (240×240 à 2319×2319) sur wikimedia.


Image satellite du panache éruptif du 15 janvier 2022

Figure 17. Image satellite du panache éruptif du 15 janvier 2022

À son expansion maximale, ce panache mesurait 400 à 500 km de diamètre.


Image satellite plus large du panache éruptif du 15 janvier 2022

Figure 18. Image satellite plus large du panache éruptif du 15 janvier 2022

À son expansion maximale, ce panache mesurait 400 à 500 km de diamètre.


Image satellite à vue très large du panache éruptif du 15 janvier 2022

Figure 19. Image satellite à vue très large du panache éruptif du 15 janvier 2022

À son expansion maximum, ce panache mesurait 400 à 500 km de diamètre.


Image en vue oblique prise depuis la Station Spatiale Internationale de l'éruption plinienne du Raikoke (iles Kouriles) le 22 juin 2019

Image satellite de ce qui reste du Hunga Tonga-Hunga Ha'apai le 17 janvier 2022, deux jours après l'explosion du 15 janvier

Figure 21. Image satellite de ce qui reste du Hunga Tonga-Hunga Ha'apai le 17 janvier 2022, deux jours après l'explosion du 15 janvier

L'‘édifice de 2014-215 a disparu. Les deux iles d'Hunga Tonga et d'Hunga Ha'apai ont vu leur surface réduite, surtout Hunga Tonga. Des études ultérieures, notamment bathymétriques, permettront d'estimer les parts relatives de l'explosion et d'un éventuel agrandissement de la caldeira (par subsidence) dans ces disparitions ou réductions de surface.


Montage d'images satellites du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai entre 2013 et le 17 janvier 2022

Figure 22. Montage d'images satellites du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai entre 2013 et le 17 janvier 2022

Toutes les images (sauf l'image 5) sont à la même échelle : le champ de ces photos mesure 4 km de gauche à droite (d'Ouest en Est). L'image 5 est à une toute autre échelle et son champ mesure 720 km de gauche à droite. Les tracés des côtes de quelques iles des Tonga sont indiqués en surcharge sur cette image 5. Sur l'image 6, le tracé (approximatif) des anciennes côtes des iles Hunga Tonga et Hunga Ha'apai est indiqué en tiretés jaunes.


Série d'image du satellite radar Sentinel 1 de l'ESA montrant la variation de la taille de l'ile

Figure 23. Série d'image du satellite radar Sentinel 1 de l'ESA montrant la variation de la taille de l'ile

L'image 1 date du 28 novembre 2021, avant le début de l'éruption de 2021-2022. L'image 2 date du 22 décembre 2021, le lendemain de la reprise de l'éruption. L'agrandissement de l'ile se voit déjà très bien. L'image 3 a été prise le 3 janvier 2022. On ne voit pas de variation de taille évidente, mais une variation de la morphologie avec notamment un grand cratère bien visible au NE. Sur l'image 4 (15 janvier), l'ile a presque totalement disparu.


L'énergie de l'explosion du 15 janvier 2022 a été mesurée, et est équivalente à celle d'un séisme de magnitude 5,8. Cette explosion peut avoir deux origines, non incompatibles.

La première possibilité est une explosion d'origine phréatomagmatique (ou surtseyenne). De l'eau de mer imbibant le volcan entre en contact avec du magma. Contrairement à des coulées sous-marines où il y a (relativement) beaucoup d'eau et peu de magma (il y a trop d'eau pour que le magma la vaporise et il se forme des pillow lavas), il y a dans le cas d'éruptions phréatomagmatiques davantage de magma que ne peut refroidir l'eau ; cette eau s'échauffe, devient vapeur, vapeur qui ne peut que mal s'échapper car l'eau est contenue dans des fissures ou une nappe phréatique. La pression monte, et il y a explosion comme une cocotte-minute dont la soupape serait fermée.

La deuxième possibilité est purement magmatique. Un magma très riche en gaz dissouts remonte doucement. Sa pression interne diminue quand il arrive à (ou très près de) la surface ; la solubilité du gaz diminue ; le gaz se sépare du magma, forme des vésicules qui propulsent le magma vers la “sortie”. Tout cela diminue la densité du magma, ce qui diminue la pression dans la colonne de magma… Le phénomène peut s'emballer par réaction en chaine et “effet boule de neige”, et l'explosion survient. Si le mélange gaz + magma incorpore assez d'air chaud, on aura un puissant panache ascendant : une éruption plinienne.

Et il n'est pas impossible qu'une explosion surtseyenne ait brutalement mis le magma riche en gaz au contact avec l'atmosphère, ce qui a entrainé une démixtion explosive gaz/magma.

Quand des études sur place seront possibles, ces différentes hypothèses (et peut-être d'autres) pourront être testées et on pourra estimer les parts relatives des parts surtseyenne et plinienne dans les évènements du 15 janvier 2022.

Les iles Hunga Tonga et Hunga Ha'apai réunies en 2014-2015 étaient inhabitées, non cultivées... L'éruption de 2021-2022 n'a donc fait aucun dégât humain ni matériel localement.

Mais cette éruption de 2021-2022 et son explosion du 15 janvier 2022 ont eu des effets à plus longue distance : pluie de cendres sur les iles voisines, tsunami affectant tout le Pacifique, et onde de choc atmosphérique pour la Terre entière. Avant de voir quelques photographies de ces effets lointains, on peut citer deux témoignages relatés dans le journal Le Monde daté du 28 janvier 2022. Ces témoignages sont ceux d'habitants de la capitale Nuku'alofa ou d'autres localités de cette même ile.

« Il y a eu des bruits terrifiants, des explosions de plus en plus fortes au point de nous laisser à moitié sourds. Nous avons immédiatement compris qu'il était en train de se passer quelque chose de grave, qu'il fallait courir pour se mettre à l'abri. »« C'est alors que le ciel est devenu noir et qu’il s'est mis à pleuvoir, non pas de l'eau, mais des cendres, des cailloux. C'était apocalyptique. On ne voyait plus rien à travers notre pare- brise. »




Tsunami déferlant sur l'ile Tonga à 17h30, 20 min après le début de l'explosion

Figure 27. Tsunami déferlant sur l'ile Tonga à 17h30, 20 min après le début de l'explosion

Ce tsunami a occasionné des dégâts importants (mais relativement “modérés” si on les compare à ceux de Sumatra en 2004 ou de Fukushima en 2011). La hauteur de la mer est montée en moyenne d'1,2 m. La majorité de la population ayant gagné les hauteurs, il n'y eu que peu de décès (trois morts recensés 2 jours plus tard). Le tsunami (qui se déplace à environ 900 km/h) a atteint les côtes du Japon, d'Amérique du Nord et du Sud (où deux personnes sont mortes sur une plage)… Un navire déchargeant du pétrole dans une raffinerie non loin de Lima (Pérou) a été “secoué” par le passage de la vague et a laissé s'échapper l'équivalent de 6 000 à 12 000 barils de brut [1 baril = 159 L], ce qui a causé une marée noire.


Figure 28. Onde de choc de l'éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha'apai capturée par le satellite GOES-17 et rendue visible à l'aide des changements d'états de la vapeur d'eau atmosphérique lors du passage de l'onde de choc

Cette onde de choc se propage à environ 312 m/s, ce qui correspond à la vitesse du son dans la haute atmosphère.

Animation disponible avec d'autres résolutions (240×240 à 1118×1118) sur wikimedia.


Exemples d'enregistrements des ondes de choc atmosphériques effectués par les observatoires météorologiques de la Réunion et de Mayotte

Figure 29. Exemples d'enregistrements des ondes de choc atmosphériques effectués par les observatoires météorologiques de la Réunion et de Mayotte

Une surpression très temporaire de 2 à 3 hectopascals a été enregistrée à l'ile de la Réunion 11h24min après l'explosion des Tonga distante de 12 800 km. Cette onde de choc est arrivée à Mayotte 1h11min plus tard car Mayotte est plus éloignée des Tonga (14 200 km). Une deuxième onde de choc est arrivée (d'abord à Mayotte, puis à la Réunion) 10 à 12h plus tard. La première onde de choc correspond à l'onde venue “en ligne directe” des Tonga jusque vers ce secteur de l'Océan Indien, en arrivant par l'Est (“chemin” le plus court) . La deuxième onde de choc correspond à celle qui est “passée par l'autre côté” et est arrivée dans l'Océan Indien par l'Ouest, d'abord à Mayotte puis à la Réunion. On devrait pouvoir faire le même genre d'observations avec les ondes sismiques de surface.