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La géologie de la Chaîne des Puys

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Vue de la chaîne des Puys

PrésentationPrésentation

Peu de régions au monde peuvent se flatter de posséder un ensemble volcanique aussi complet et pédagogique que la Chaîne des Puys. La diversité des édifices, leur nombre important sur une surface très restreinte et accessible, la fraîcheur des morphologies, la linéarité de la chaîne et la variabilité chimique qui va des basaltes aux trachytes font de cet ensemble une formidable encyclopédie des volcans.

Coupe de la chaîne des Puys. Cliquer pour agrandir l'image.La chaîne s'est édifiée sur le horst cristallin (Voir bloc-diagramme) du plateau des Dômes - vers 900 m d'altitude - séparé de la Limagne sédimentaire à l'Est (altitude moyenne 450m), par une grande faille-limite. Elle est la dernière manifestation d'une longue histoire volcanique du Massif Central. Les périodes d'activité de la chaîne s'échelonnent dans le temps entre 156000 et 7000 ans BP (BP = Before Present, c'est à dire avant l'actuel, en fait avant 1950) ce qui en fait l'ensemble volcanique le plus jeune de France métropolitaine.

À la chaîne des Puys au sens strict (Voir la carte de la chaîne), comprenant les édifices situés entre le Puy de l'Enfer au sud et la zone de Beaunit au nord, sur une trentaine de kilomètres, et disposés sur un axe nord-sud, on doit rattacher les prolongements et satellites contemporains septentrionaux (Chalard, Gour de Tazenat…), occidentaux (vallée de la Sioule), orientaux (région de Clermont) et les quatre volcans méridionaux (Pavin, Montchal, Montcineyre et Estivadoux) près de Besse-en-Chandesse, 30 km plus au sud. Ceux-ci, vieux de 7000 ans seulement, reposent sur des laves plus anciennes à la jonction entre le Sancy et le Cézallier et sont donc les plus récents de la chaîne.

En comptant les prolongements et satellites contemporains, la Chaîne des Puys comporte environ cent dix appareils éruptifs reconnus, disposés sur un axe nord-sud. Aux cônes de scories qui constituent les plus nombreux des édifices, sont associées une centaine de coulées affleurantes ainsi qu'une grande variété de structures éruptives : maars, dômes, protrusions…

Geologie_de_la_chaine_des_puys, Histoire géologique de l'Auvergne (auteur B. van Wyk de Fries). Cliquer pour agrandir l'image.Les plus anciens sont âgés de 90 000 ans environ (Chanat, St Hippolyte), les plus récents de 8 500 ans (La Vache et Lassolas). Toutefois c'est 10 à 15 km plus au sud, aux confins des Monts Dore et du Cézallier, que l'on rencontre les quatre volcans les plus jeunes de France métropolitaine, formant le « groupe Pavin », âgés de 7 000 ans seulement. Mais on ne doit pas imaginer une activité continue durant toute cette période : la durée de vie de chaque volcan n'ayant dans la plupart des cas pas excédé quelques semaines à quelques mois, le temps total d'activité cumulée n'atteint probablement pas 20 ans ! Encore cette activité a-t-elle été très inégalement répartie selon quatre périodes majeures : entre 95 et 90 000 ans, entre 75 000 et 60 000 ans, entre 45 000 et 30 000 ans, enfin entre 16 000 et 8 500 ans.                                                      

On voit par-là que nous ne sommes que dans une période de rémission. Tout pousse à penser que les éruptions reprendront un jour, mais nous ne disposons pas d'éléments permettant de prévoir où, quand et comment un nouveau volcan apparaîtra. 

La particularité de la chaîne des Puys par rapport aux stratovolcans Cantal et Mont Dore, est de montrer une juxtaposition d'édifices de petites tailles, résultant chacun d'une éruption brève à l'échelle des temps géologiques (de quelques jours à quelques mois).

Ils permettent donc une compréhension aisée des mécanismes volcanologiques mis en jeu.

Dômes et protrusions

Dans ce dynamisme on distinguera les cumulo-dômes et les aiguilles de protrusion. À la base de l'édifice en formation, les gaz se libèrent violemment sous forme de nuées ardentes qui calcinent tout sur leur passage. Les projections pyroclastiques sont des bombes volcanique dites « en croûte de pain », des éléments du socles cristallin arrachés lors de la montée des laves et des blocs de lave de l'édifice.

Le dynamisme péléen construit des volcans sans cône et sans coulée de lave. La nature de la lave, très visqueuse et froide, en est responsable : les dômes et les aiguilles sont engendrés par les magmas trachytiques émis à des températures de 800 à 900° et très visqueux. Ces magmas montent très lentement dans les conduits, du fait de cette viscosité. C'est parce que les magmas riches en silice sont plus visqueux, qu'ils s'écoulent moins facilement et se séparent de leur gaz plus difficilement. Souvent l'éruption commence par une phase explosive initiale créant ainsi un cratère qui va contenir tous les matériaux émis. La lave s'accumule au dessus de ce dernier pour former :

Le cumulo-dôme est la résultante parfaite d'un dynamisme continu sans incident. Il est représenté dans la Chaîne par le Grand Sarcouy et le Clierzou aux formes régulières remarquables, en chaudron inversé.

L'aiguille de protrusion, typique de la Montagne Pelée en Martinique (qui sert de modèle à ce type de volcan), est présente ici par le Puy Chopine, véritable épée ayant traversée le socle de base pour s'élever à plus de 180 m au dessus.

Le Puy de Dôme est une composante des deux faciès, dôme et aiguille. C'est un des plus haut volcan de ce type, constituant ainsi un formation volcanique, unique. (L'aiguille de La Montagne Pelée s'était écroulée peu de temps après son édification).

Les matériaux émis sont des laves claires, blanchâtres, friables, très siliceuses :

  • À la base, se trouvent les éboulis de construction, et le tapis des dépôts laissés par les nuées ardentes. L'explosion, sous la pression des gaz, de ces dômes a produit ces nuées ardentes qui sont des suspensions de cendres et de blocs dans des gaz chauds (jusqu'à 900 °C) qui dévalent les pentes. Dans la chaîne des Puys de telles nuées ardentes sont visibles au Puy du Dôme. On peut aussi en voir au col du Pas de Peyrol au pied du Puy Mary.
  • Au sommet, pas de cratère, mais un forme arrondie étonnante.

La chaîne des Puys a comme caractéristique remarquable de présenter des dômes de lave. Un dôme est un édifice volcanique de forme arrondie, sans cratère, mais parfois légèrement affaissée au sommet, et entouré d'un talus de blocs. Un dôme résulte de l'extrusion de magma très visqueux qui s'accumule à son point de sortie. L'affluence continue de magma augmente son volume. En quelques années, il peut atteindre plusieurs millions de mètres cubes, une hauteur de 400 à 500 mètres et un diamètre avoisinant le kilomètre, comme le dôme du mont Unzen au Japon ou comme celui du mont St-Helens aux États-Unis avec un volume de plusieurs millions de mètres cubes.

Ces cumulo-dômes, peuvent être visible sur la chaîne des Puys avec le Grand-Sarcouy, le Clerziou, ou le Petit Suchet.

Un dôme actif bouge, grossit et peut se détruire soit par écroulements de ses flancs, qui produisent un talus de blocs et de cendres, soit par de violentes explosions. Les éruptions sont séparées par de longs intervalles. Elles commencent par une phase préliminaire caractérisée par des émissions de fumées et de cendres, puis, une gigantesque explosion se produit. Les avalanches et nuées ardentes qui en dérivent emportent gaz, blocs, cendres et poussières à 500 degrés et à des vitesses de 150 à 200 kilomètres par heure. La lave, même si elle est émise à forte température, est très visqueuse. C'est ce qui se produit depuis quelques années avec le dôme de Soufriere Hills à Montserrat, qui alterne croissance et éboulement avec création de nuée ardentes.

Le puy de Dôme ressemble beaucoup au dôme et à l'aiguille de la montagne Pelée, à la Martinique, mise en place après l'éruption avec nuée ardente du 8 mai 1902.

Soumises en quelques secondes à une brusque décompression, les nuées ardentes s'accompagnent de panaches de cendres et de poussières qui portés par les vents dominants, retombent à plusieurs centaines de kilomètres de leur point d'émission. Ainsi des cendres et des poussières de nature trachytique et appartenant aux dômes de la Chaîne des Puys on été retrouvés à plus de 300 km à l'est.

En général, l'éruption débute par une phase explosive très violente, qui peut correspondre à la libération des gaz magmatiques sous haute pression. Cette phase initiale, souvent brève, élargit la partie haute du conduit puis suit une phase d'extrusion de la lave visqueuse. Celle-ci ne peut s'écouler ; elle s'accumule donc sur place sous forme d'un dôme.

Parfois, la carapace solide du dôme ne peut contenir la pression interne ; elle cède alors, libérant un nuage de gaz magmatiques qui contient en suspension blocs, lapilli et cendres de roche encore chaude (600 à 800°) : c'est une « nuée ardente ». Un tel mélange de gaz et de particules de lave est plus dense que l'air ; il roule alors sur le sol à une vitesse pouvant atteindre 200 km/h si la dénivellation est importante. Si la pente est très faible, comme c'est le cas au pied du puy de Dôme, l'écoulement est rapidement freiné, et l'avalanche ardente ne s'éloigne guère du volcan.

Mais ce schéma simple peut présenter des variantes. Dans certains cas, une grande partie du dôme en cours de croissance s'écroule sous l'effet de la gravité, et se reconstruit par la suite : c'est ce qui est arrivé au Sarcoui, et au puy de Dôme. Ou encore, le dôme peut être décapité par de violentes explosions verticales, qui y creusent un profond cratère : c'est le cas du cratère Kilian.

Enfin, dans certains cas de viscosité extrême de la lave, celle-ci monte lentement à l'état quasi solide sous la forme d'un piston cylindrique appelé « aiguille de protrusion ». Dans les deux exemples connus dans la Chaîne des Puys : Chopine et Vasset, l'ascension de la protrusion n'a représenté que la phase finale de l'éruption.

Éruption péléenneCoupe de l'éruption d'un volcan péléen. Cliquer pour agrandir l'image.

Les éruptions stromboliennes, les cônes de scories

La plupart des volcans (80 % des édifices) de la Chaîne des Puys sont des cônes de scories. Ils atteignent 100 à 200 mètres de hauteur, le plus imposant étant le Puy de Côme d'une altitude relative de 350 m. Leurs formes, pour certains conservent une grande fraîcheur, ainsi les pentes des Puys de la Vache et de Lassolas atteignent 30 % et leur cratère en fer à cheval est bien dessiné. Cette forme en fer à cheval témoigne d'une activité effusive synchrone de l'activité explosive. D'autres possèdent un cratère d'une grande régularité (Puy des Goules (200 m de diamètre et 40 m de profondeur), ou celui du nouveau Pariou (300 m de diamètre pour 95 m de profondeur)). D'autres encore montrent des cratères emboîtés, traduisant plusieurs stades d'activités (Puy de Montchier, Puy de Côme, Petit Puy de Dôme). Enfin, certains sont nettement dissymétriques (Cônes de Pourcharet et de Montgy) et impliquent un vent fort pendant l'éruption.

L'activité des volcans de type strombolien (du nom du volcan Stromboli, en Sicile) est continue. Le cratère contient de la lave fluide en bouillonnement constant, et, de temps à autre, le volcan projette une colonne de gaz et de pierres. Lorsque ce type de volcan est en activité, les éruptions sont très fréquentes (plusieurs par heure).
Les cônes de scories, et les coulées de lave qui les accompagnent, sont engendrés par des magmas de composition basaltique à trachyandésitique. Émis à des températures de l'ordre de 1000 à 1150 °C, ils sont fluides

Canal de lave d'un volcan strombolien. Cliquer pour agrandir l'image.C'est le dégazage de la lave basaltique en sub-surface, projetant dans les airs des paquets de laves scoriacées, qui est responsable de l'édification des cônes de scories. Dans ce type de dynamisme, le magma, propulsé par la détente des gaz qu'il renferme, est émis par la cheminée d'alimentation en gerbes de scories incandescentes et en coulées de laves. Les violentes détentes gazeuses, continues ou périodiques propulsent les matériaux à plusieurs centaines de mètres de hauteur, qui retombent en construisant peu à peu un cône caractéristique.

Coulée de lave d'un volcan strombolien. Cliquer pour agrandir l'image. Ces types d'éruptions sont qualifiés de stromboliennes. À un stade avancé de ces éruptions, qui durent généralement quelques jours, le magma est suffisamment dégazé et permet une coulée de lave du cône de scorie. À la base s'écoule par gravité à partir de la bouche, la lave dégazée. Très fluide par sa température élevée (de l'ordre de 1000 °C), elle envahie le voisinage, générant des coulées de plusieurs kilomètres de long et de quelques dizaines de mètres d'épaisseur, avant de se refroidir en basalte. Aujourd'hui les anciennes coulées, donnent en surface ces paysages chaotiques et boisés que l'on appelle Cheires.

Ces petits volcans issu le plus souvent d'une seule éruption, mais de plusieurs centaines d'explosions, sont dus à l'amoncellement de cendres, lapilli et de bombes volcaniques. En effet, le magma, qui monte depuis sa zone de formation entre la lithosphère et l'asthénosphère, est une roche fondue riche en gaz dissous. Lorsque le magma arrive, enfin, à la surface de la Terre, les gaz alors contenus dans la lave s'échappent. Il se produit ce que l'on appelle une dépressurisation. La détente des gaz, comme lors de l'ouverture d'une bouteille de champagne s'exprime par la formation de bulles de gaz, qui pulvérisent le magma en lambeaux et fragments de lave. Les empreintes de ces bulles sont d'ailleurs visibles sur la surface de ces fragments de lave, qu'on appelle scorie. Ces fragments s'accumulent en couches autour de la bouche éruptive. Des lambeaux de lave massive sont également expulsés, qu'on appelle « bombes volcaniques ». Ces lambeaux, lors de leur éjection, subissent l'action de l'air, et ils prennent des formes aérodynamiques diverses qui témoignent de leur degré de viscosité : bombes en bonbon, en fuseau, en goutte, torsadées, en croissant, en boule, en « bouse de vache »,…

Les gaz se séparent du magma en formant des bulles qui augmentent de taille avec la baisse de pression. À leur arrivée au sommet du conduit éruptif, ces bulles éclatent, projetant rythmiquement des paquets de lave incandescente dans les airs.

L'accumulation de ces projections autour du point de sortie édifie peu à peu un cône circulaire à cratère central, dont les pentes n'excèdent pas 30 à 35 % (pente limite d'un talus d'éboulis). L'édification d'un cône de 200 à 300 m de hauteur et 1 km de diamètre s'effectue en quelques semaines à quelques mois, mais son activité peut exceptionnellement se prolonger quelques années.

On définit les projections laviques en fonction de leur calibre (D = Diamètre) : 

D > 64 mmblocs
2 mm < D < 64 mmlapilli
D < 2 mmcendres

On qualifie de « bombes » des blocs qui ont acquis une forme particulière alors qu'ils étaient encore plastiques, en tournoyant dans les airs (bombes en fuseau) ou en s'écrasant au sol (bombes en bouse de vache). Mais la majorité des fragments projetés sont contournés, hérissés d'aspérités, sans forme définie. Tous ces éléments sont bulleux, mais leur densité est supérieure à 1 ; on les qualifie de scories, par analogie avec les déchets de la métallurgie (du grec skôria = écume de fer).

Sorte de « mousse de basalte », les cendres ont un aspect spongieux et sont exploitées sous l'appellation de pouzzolane. L'exploitation des pouzzolanes, très réglementée, permet, en mettant à l'air les couches successives des dépôts, de retracer l'histoire de l'éruption du volcan.

La teinte normale des scories est noire ou gris sombre, mais par oxydation du pigment ferreux au contact de l'oxygène de l'air, alors qu'ils sont encore à haute température (plus de 600 °C), les matériaux du cœur du cône acquièrent une teinte rouge caractéristique ; sur la périphérie, trop froids pour s'oxyder, ils conservent leur teinte originelle.

Vers la fin de l'éruption, alors que le magma s'est séparé de l'essentiel de ses gaz la lave sort de façon passive, « effusive », sous forme d'une coulée qui s'insinue à la base du cône et s'épanche plus ou moins loin. En se refroidissant et se solidifiant, la lave incandescente devient une roche noire à grise : basalte, trachybasalte ou trachyandésite. Ainsi les scories, rouges ou noires, et les laves massives d'aspect basaltique ne sont-elles que des formes différentes du même matériau, qui reflètent ses divers modes de mise en place.

Il arrive fréquemment qu'une coulée, en sortant de dessous le cône, le déstabilise et en entraîne une partie sur son dos (ce fut le cas des deux volcans successifs de Lemptégy). Plus rarement, l'émission de la coulée s'effectue dès le début de l'éruption, empêchant la construction du cône d'un côté (cas des puys de La Vache et Lassolas). Dans un cas comme dans l'autre, on obtient un cratère dissymétrique, ébréché ou ouvert d'un côté, dit « égueulé ».

Après l'extinction du volcan, il reste un cône à cratère sommital. Ce dernier peut être très marqué, éventrant complètement l'édifice, comme aux puys de La Vache et de Lassolas, ou le puy de Louchadière. Une reprise d'activité peut générer un double cône (puy de Côme).

Éruption strombolienne. Cliquer pour agrandir l'image.

Les maars

C'est le troisième type d'édifice que l'on peut découvrir sur la Chaîne des Puys. Ils sont cependant rares. Du nord au sud, on distingue le gour de Tazenat, le maar de Beaunit, la narse d'Espinasse et le lac Pavin. Ces volcans sont très particuliers, car se sont des « volcans à l'envers ». Ce phénomène s'il est assez violent conduit à la formation de cratères d'explosions circulaires de quelques centaines de mètres de diamètre et quelques dizaines de mètres de profondeur.

Le maar-type suppose un régime phréatomagmatique constant pendant toute la durée d'une éruption. Les maars les plus connus sont ceux qui contiennent un lac (lac Pavin, Gour de Tazenat). En effet ce sont des dépressions d'une profondeur plus ou moins grande comblées par un lac profond de 66 m, pour le gour de Tazenat et de 92 m pour le lac Pavin. Ces « trous » se sont formés par un série de violentes explosions qui ont entaillé le sous-sol à l'emporte-pièce. L'énergie libérée fragmente le socle cristallin, le soulève et projette à la périphérie de la bouche d'émission des matériaux qui constitueront un anneau de dépôts. L'alimentation peut être continue ou périodique. Ces explosions sont le résultat d'éruptions dites phréatiques. C'est-à-dire lorsqu'une nappe d'eau souterraine, un lac, est surchauffée et vaporisée par l'arrivée d'une colonne de magma à près de 1100 °C. Parfois le magma arrive à être en contact direct avec l'eau et l'éruption devient phréatomagmatique. Le gaz moteur est alors la vapeur. Dans ces conditions, les magmas basaltiques acquièrent une explosivité équivalente à celle des magmas riches en silice. L'appareil volcanique se complète souvent d'un petit cône Strombolien, témoin d'une phase terminale plus calme. L'anneau de dépôt pyroclastique se compose de bombes volcaniques, de lapilli et cendres, mais aussi d'éléments du socle cristallin (gneiss et granit). La plupart du temps ces matériaux sont intimement liés.

Ces nuances de dynamismes éruptifs sont bien visibles dans les dépôts accumulés, souvent en forme de croissant, ou anneaux de projections, autour de la bouche explosive. Une section dans un talus d'un croissant de projections de maar, montre de bas en haut : d'abord, beaucoup de blocs arrachés au sous-sol, puis au fur et à mesure que nous montons dans la coupe, des niveaux de plus en plus riches en scories, en cendres et des bombes volcaniques très particulières dites en choux-fleurs, où selon en croûte de pain. Elles sont caractéristiques d'un trempage brutale du magma au contact de l'eau-vapeur.

Mais il existe de multiples variantes à cette modalité :

  • Lorsque l'éruption cesse après la phase maar, peu peu le cratère du maar va abriter un lac et donner les plus beaux lacs de cratère d'Auvergne tels que le lac Pavin ou le Gour de Tazenat. Au fil du temps, les dépôts sédimentaires comblent peu à peu le lac pour y établir un fond plat marécageux. C'est ainsi qu'ont évolués le Maar de Beaunit et la Narse d'Espinasse.
  • L'eau peut se tarir au cours de l'éruption, qui va reprendre son régime « normal » : l'éruption continue par la sortie de lave, le maar peut être occupé par un lac de laves (puys Pariou et de la Nugère…), des cônes de scories plus ou moins volumineux (Puys de Beaunit ou de la Rodde), un dôme (comme ce fut le cas au Sarcoui) ou la protrusion d'une aiguille (puy Chopine, cratère Kilian).

Notons de plus que Clermont-Ferrand est construit sur un des plus grands maars de la région, le maar de Jaude.

Éruption d'un maar. Cliquer pour agrandir l'image.

Les volcans de la Limagne et les diatrèmes pépéritiques

La surface du bassin sédimentaire effondré de Limagne est accidentée au Sud de Clermont-Ferrand par de nombreux reliefs volcaniques qui correspondent pour la plupart à des points de sorties volcaniques (dykes, necks, lacs de laves, « pépérites ») en reliefs inversés ainsi qu'un ensemble de protrusions, dômes et dômes coulées trachyphonolitiques dans le secteur de la Comté d'Auvergne.
Les diatrèmes pépéritiques
. Cliquer pour agrandir l'image.Les pépérites sont des roches caractérisées par la présence, en abondance variable, de granules de lave basaltique vitreuse dans une matrice essentiellement sédimentaire. Leur formation est liée à l'augmentation de volume qui se produit lors de la rencontre de magma mis en contact d'eaux souterraines. L'explosion qui en résulte disperse le magma en granules et pulvérise les sédiments. La répétition de ce phénomène produit de grands diatrèmes remplis de pépérites autour desquels s'édifient des cônes de tufs lités pépéritiques. En fin d'éruptions phréatomagmatiques, le magma peut s'insinuer dans le remplissage du diatrème et alimenter un cône de scories, le remplir d'un lac de laves et alimenter une coulée basaltique. Dans le cas contraire, le diatrème est rempli d'un lac et se comble de sédiments.
Le plateau de Gergovie
Le plateau de Gergovie (744 m), à 10 km au sud de Clermont-Ferrand, est célèbre chez les historiens mais aussi chez les géologues pour ses « pépérites ». Le monument dédié à Vercingétorix repose sur une coulée de basanite daté à 16 Ma qui repose à son tour sur une coulée datée à 19 Ma. Celle-ci surmonte une série sédimentaire de marnes, de calcaires et d'argiles qui remplissent un ancien cratère maintenant disséqué par l'érosion. Sous ces sédiments est exposé un épais niveau de pépérites produits par les éruptions phréatomagmatiques. Le Puy de Corent, à 16 km au sud de Clermont Ferrand, montre des formations similaires.

Parallélisme entre la nature des magmas et les styles éruptifs

Une promenade à travers la Chaîne des Puys met en évidence la présence de deux catégories de laves : les unes sombres, les autres claires. En règle générale, les laves sombres dont la teinte varie du noir au gris sont des basaltes au sens large, alors que les laves du second groupe, de couleur plus claire variant du gris perle au beige ou au blanc sont des trachytes sensu lato. Cette différence de faciès qui traduit une différence de composition chimique du magma émis est facilement observable à condition de s'intéresser à des échantillons fraîchement cassés ce qui permet de se libérer des problèmes d'altération chimique de surface qui modifie artificiellement la couleur.

L'opposition entre ces deux types de lave est largement marquée par un comportement différent du point de vue dynamique c'est-à-dire qu'ils sont associés à des volcans de morphologie et de mise en place différentes.

Le basalte est expulsé de la même façon que le champagne entraîné par les bulles qui se forment au débouchage de la bouteille. Le débit gazeux est plus ou moins important ce qui influe sur le mode de mise en place de la lave. S'il est faible, le magma s'épanche sous forme de coulées de lave et s'il est important, la lave est projetée en lambeaux dans les airs (bombes et scories).

Les trachytes sont très riches en gaz et en silice (> 60 %) et très visqueux. Leur forte viscosité est un frein à l'expression des gaz sous forme de bulles et, par conséquent, un phénomène de détente brutale se produit au cours de l'éruption. Une forte explosivité caractérise les éruptions liées aux trachytes. Après un débourrage initial, la lave visqueuse s'accumule pour former des dômes de lave (Grand Sarcoui, Clierzou, Puy de Dôme…). L'extrusion du magma s'accompagne d'explosions superficielles qui engendrent des nuées ardentes.

Un lien apparaît nettement entre le type de lave caractérisé par sa composition chimique, sa teneur en gaz et sa viscosité, et le mode de mise en place qui détermine la morphologie des édifices volcaniques.

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