Le point commun entre abeilles, éléphants et basalte

Observez-bien les plis de sa peau. Marcus Lofvenberg / Unsplash

Qui n’a pas voyagé en Irlande, ou même en Ardèche, n’a pu voir les coulées volcaniques, maintenant solidifiées, comme à Bort les Orgues en Corrèze, d’où le nom de la ville. Ces coulées spectaculaires forment le plateau du Coiron en Ardèche, à quelques kilomètres d’Aubenas. On peut également en voir sous le piton qui abrite le village d’Antraigues-sur-Volane, que Jean Ferrat chantait dans « Que la montagne est belle ». Ce qui intrigue, c’est le caractère assez régulier de ces coulées. Elles se présentent en effet sous forme de colonnes, de section plus ou moins hexagonale.

Vue d’ensemble des Balmes de Montbrun, habitat troglodyte médiéval, situées sur le plateau du Coiron en Ardèche (France). Matpib/Wikipedia, CC BY

Pour la Chaussée des Géants, la légende veut que ce soient deux géants, Benandonner l’écossais et Fionn Mac Cumhaill, l’irlandais qui se sont insultés par-delà la mer. L’Irlandais aurait alors commencé à jeter des pierres dans la mer pour faire un chemin. Mais constatant que son ennemi écossais était plus grand que lui, il se déguise en bébé. À la vue du poupon, l’Ecossais prend alors peur, redoutant à avoir à affronter le père du bébé. Il repart en Écosse en détruisant la route qui reliait les deux endroits. Proto Brexit ?

Alors pourquoi ces structures en colonnes ? Depuis longtemps, ces structures ont été observées, cartographiées et modélisées comme étant des effets du gradient thermique lors du refroidissement de la lave. Les structures sont plus ou moins hexagonales, mais avec des variations entre 5 et 7 côtés. La contraction thermique de la lave provoque une réduction du volume, et donc des fractures distribuées de façon uniforme, d’où les formes observées. Reste cependant à expliquer la constance de ces angles avec la hauteur de la coulée, donc la différence de propriétés mécaniques lors du refroidissement.

Avec problème simple, explication compliquée qui ne trouvait pas vraiment de réponse. Surtout les estimations des températures de cristallisation étaient d’une centaine de degrés plus élevés que les températures de fracturation. Il a fallu attendre l’année dernière pour qu’une équipe de Liverpool réussisse à modéliser expérimentalement ces conditions de refroidissement.

On trouve ce genre de structures également dans les argiles en train de sécher. Elles portent alors le joli nom de fentes de dessiccation. Ou encore, quoique plus rares dans des grès lorsque ceux-ci ont été réchauffés par des intrusions.

La circulation de l’eau dans les roches

L’intérêt de cette étude pourrait paraître futile si elle ne contrôlait pas un autre paramètre plus important qu’est la circulation de l’eau le long de ces fractures. L’application à la géothermie en terrains volcaniques est alors évidente. En effet, la perméabilité de la roche, c’est-à-dire son aptitude à laisser passer les fluides, augmente de 9 ordres de grandeur, soit un milliard de fois, avec ces fractures hexagonales.

La lave s’écoule à chaud, soit au-dessus de 980 °C, ce que l’on appelle la température du solidus, ou formation des premiers cristaux. Avec le refroidissement, la température décroît, entraînant son raccourcissement thermique, d’où l’augmentation des contraintes internes à la roche, une douzaine de MPa, ce qui induit les fractures, la roche cédant aux alentours de 1 MPa (1 million de pascals). La roche devient alors perméable vers 890-840 °C, soit des taux de refroidissement de l’ordre de 1 °C/min.

L’application de ces études est importante en géothermie à haute température, comme en Islande ou au Kamtchatka. Pourquoi ces régions ? Il faut en effet combiner des sources chaudes récurrentes (les volcans) et de l’eau en abondance (la neige). À basse énergie, la géothermie est plus qu’aléatoire à long terme, du fait du trop long réchauffement de la source.

Le volcan Petropavlovsk Kamcatskij. Wikipedia

Au Kamtchatka, la neige atteint régulièrement la dizaine de mètres sur les volcans à côté de Petropavlosk, la grande ville de la péninsule. Une vieille usine à pétrole crache en abondance une fumée noire et n’arrive pas à fournir l’électricité nécessaire. Sur le mont Mutnovsky, une ancienne usine géothermique peine à transformer la chaleur en électricité. Un programme de forage international (International Deep Drilling Program, IDDP) avait étudié la faisabilité d’un tel projet. Un autre site, en Islande a donné lieu à plusieurs forages dont un de 4,5 km de profondeur. Le gros problème rencontré lors de ces forages est la perte subite des liquides de refroidissement utilisés en forage, dès que l’on approche des sources chaudes. Résultat, le forage s’assèche, et la colonne de forage se rompt, entraînant la perte de ces quelques kilomètres de tubes (et la perte du forage). Comme quoi, tout est simple sur le papier (et sur le papier uniquement).

Et les animaux

Pour en revenir au titre et aux éléphants… Un détour d’abord vers les abeilles. Chacun connaît la structure alvéolaire de la cire d’abeille. Pourquoi ? Simplement parce l’abeille est économe et a trouvé là le meilleur rapport qualité-prix entre la cire dépensée et le volume de la cellule fabriquée.

Les éléphants maintenant. Regardez leur peau, elle est plissée, ridée, fripée. Et à nouveau, on constate une disposition en éléments plus ou moins hexagonaux avec des angles aux alentours de 120 °. Non pas à cause des grattages et frottages, mais plus simplement parce que les minuscules fractures de la peau engendrent une circulation d’air et une rétention d’eau. En fait, c’est le même principe que pour les basaltes. L’explication par une ventilation facilitée tient mieux la route que des processus assez complexes de réaction-diffusion, souvent invoqués pour expliquer ce genre de structures. Cela expliquerait aussi comment les éléphants, dépourvus de glandes sudoripares, arrivent à contrôler leur température interne.