Introduction
Certains motifs de la nature semblent trop voulus pour être le fruit du hasard. Les colonnes de pierre hexagonales de la Chaussée des Géants en sont l’exemple classique : des dizaines de milliers de piliers à six côtés, si bien ajustés que, pendant des siècles, on a préféré en attribuer l’œuvre à un géant plutôt que d’admettre qu’on ne savait pas les expliquer. La vérité est plus étrange que la légende, et plus étrange que la version des manuels dont la plupart des gens ne gardent qu’un vague souvenir. Ces colonnes ne sont pas de la lave figée en pleine coulée, et les fissures qui les découpent ne s’ouvrent pas tant que la roche est fondue. Elles se forment des centaines de degrés plus tard, dans de la pierre solide, lorsqu’une nappe de lave qui refroidit se contracte et se déchire en polygones en suivant le chemin le moins coûteux qu’elle trouve. Voici comment cela se produit, pourquoi les colonnes penchent vers six côtés, quelle est la fenêtre de température précise dans laquelle elles se fissurent, et pourquoi le même nid d’abeilles réapparaît dans un plat de fécule de maïs et sur la paroi d’un cratère martien.
Pourquoi la lave qui refroidit se fissure en colonnes hexagonales
Tenez-vous sur le bord de la Chaussée des Géants, du côté de la mer, dans le comté d’Antrim, et le sol cesse de se comporter comme un sol. Sous vos pieds s’étend une mosaïque de dalles de pierre, la plupart à six côtés, ajustées si étroitement que vous ne pourriez pas glisser une pièce de monnaie entre elles. Elles sortent de la falaise en rangs serrés, descendent une pente par paliers et disparaissent sous les vagues. Environ 40 000 de ces colonnes se pressent sur le promontoire. On les croirait taillées en carrière et posées à la main. Il n’en est rien. Elles sont ce qui arrive quand une nappe de lave refroidit et que la roche qui la compose se déchire en polygones.
Le motif est si régulier que, pendant des siècles, on a préféré un géant à une explication. La véritable histoire est plus étrange, et elle réserve un rebondissement qui a surpris les géologues pas plus tard qu’en 2018 : la fissuration ne se produit pas tant que la lave est liquide. Elle survient plus tard, dans la roche solide, tandis que la pierre continue de refroidir et de se contracter. C’est ainsi qu’une flaque de roche fondue devient une colonnade.
Qu’est-ce que la disjonction colonnaire ?
La disjonction colonnaire est la fracturation d’un corps rocheux en cours de refroidissement en longues colonnes à peu près parallèles. Les colonnes se dressent perpendiculairement à la surface contre laquelle la roche a refroidi, et leurs sections pavent un plan : des formes à quatre, cinq ou six côtés, parfois à trois ou à sept, emboîtées bord à bord. Les géologues appellent ces fissures des « diaclases », c’est-à-dire des fractures le long desquelles la roche s’est écartée plutôt que d’avoir glissé.
Le phénomène est le plus spectaculaire dans le basalte, une roche volcanique sombre et riche en fer, qui s’épanche chaude et fluide et tend à s’accumuler en nappes épaisses et régulières. L’épaisseur et la régularité comptent. Un corps de lave profond et uniforme refroidit lentement et de façon constante, et c’est ce refroidissement lent et constant qui fait pousser de longues colonnes nettes plutôt qu’un fouillis chaotique de fissures. Les plus hautes colonnes de la Chaussée des Géants atteignent environ 12 mètres (39 pieds), et le basalte des falaises mesure jusqu’à 28 mètres (92 pieds) d’épaisseur. À Devils Postpile, en Californie, une coulée de lave s’est accumulée dans une vallée fluviale sur une épaisseur d’environ 122 mètres (400 pieds) et a produit des colonnes de 12 à 18 mètres de haut.
Les fractures progressent depuis les surfaces de refroidissement vers l’intérieur. Une coulée de lave perd sa chaleur par son sommet, au contact de l’air, et par sa base, là où elle repose sur un sol froid. Les fissures s’amorcent sur ces deux surfaces et se propagent vers l’intérieur encore chaud, ce qui explique qu’une coulée bien exposée montre souvent des colonnes qui poussent du sommet vers le bas et de la base vers le haut, jusqu’à se rejoindre quelque part au milieu.
Pourquoi des hexagones ? La règle des 120 degrés
Pour comprendre pourquoi les colonnes privilégient les six côtés, oubliez un instant la roche et pensez à de la boue qui sèche. Une flaque sèche de la surface vers le fond. La boue du dessus perd son eau, veut se rétracter, et se trouve retenue par la boue humide en dessous et par la boue qui l’entoure. La tension monte jusqu’à ce que la couche se fissure. La lave qui refroidit fait la même chose pour la même raison : elle veut se contracter, mais elle est ancrée à la roche qui l’entoure, à ceci près que le retrait vient de la baisse de température et non de la perte d’eau. Les mathématiques qui sous-tendent les deux processus sont réellement les mêmes, et c’est pourquoi une plaine de boue desséchée et une colonnade de basalte portent la même peau polygonale.
Alors, pourquoi des polygones aux angles d’environ 120 degrés ? Quand une fissure s’ouvre, elle relâche la tension qui tire perpendiculairement à elle. La façon la plus efficace de libérer une contrainte qui tire également dans toutes les directions est de se fissurer dans trois directions à partir d’un même point, ces trois fissures formant des angles de 120 degrés entre elles. Trois fissures à 120 degrés qui se rejoignent en des sommets communs pavent le plan d’hexagones. Comme l’explique le National Park Service des États-Unis, la contrainte de contraction se relâche le plus efficacement par trois fractures qui se rejoignent à 120 degrés, et un réseau de ces jonctions découpe la surface en polygones à six côtés.
Une étude de 2015 parue dans Physical Review Letters, signée de Martin Hofmann et de ses collègues, a montré mathématiquement que cette disposition hexagonale est le résultat favorisé sur le plan énergétique, la configuration qui libère le plus d’énergie de déformation à mesure que les fissures progressent. La nature ne vise pas du tout des hexagones. Les fissures empruntent simplement le chemin de plus basse énergie dont elles disposent, et sur ce chemin la géométrie qui en ressort est hexagonale.
Il y a une subtilité qu’il vaut la peine de connaître. Les réseaux de fissures commencent souvent de façon désordonnée et rectangulaire, avec des fissures qui se rejoignent à 90 degrés, puis évoluent vers le nid d’abeilles bien ordonné à 120 degrés à mesure que la fracturation se poursuit par étapes successives. Le physicien Lucas Goehring a décrit comment un motif rectiligne peut évoluer vers un motif hexagonal sous l’effet des mêmes forces. Plus vous regardez en profondeur dans l’épaisseur d’une coulée, plus les colonnes tendent à devenir régulières et hexagonales, car le motif a eu la place de s’optimiser.
C’est aussi pourquoi l’idée que « toutes les colonnes de basalte sont des hexagones » est un mythe. Les hexagones sont simplement le résultat le plus fréquent. À Devils Postpile, l’U.S. Geological Survey (USGS) indique qu’« en moyenne, 55 % des colonnes ont la forme classique à six côtés (hexagonale) », une proportion notoirement élevée, et pourtant elle n’atteint qu’environ la moitié. Les autres ont cinq, quatre ou sept côtés. Le nid d’abeilles n’est que le résultat le plus probable parmi plusieurs.
Quelle température ? La fenêtre de 840 à 890 °C
Pendant longtemps, l’hypothèse qui allait de soi était que la lave se fissure en se figeant, c’est-à-dire que les diaclases s’ouvrent au moment précis où la roche fondue devient une roche solide. En 2018, une équipe dirigée par Anthony Lamur et Yan Lavallée, à l’université de Liverpool, a mesuré la réponse, et l’hypothèse évidente était fausse.
En travaillant sur des basaltes du volcan islandais Eyjafjallajökull, ils ont constaté que ce basalte se solidifiait entièrement vers 980 °C, mais que les fissures de disjonction ne se formaient pas à cette température. La roche doit continuer à refroidir, à l’état solide, avant que la tension ne grimpe assez haut pour la rompre. Leur résultat, publié dans Nature Communications, est précis : la contraction pendant le refroidissement « induit une accumulation de contraintes sous la température du solidus (980 °C), entraînant une rupture macroscopique localisée entre 890 et 840 °C ». Selon leurs propres mots, « la disjonction colonnaire se produit bien à l’intérieur du domaine solide des roches volcaniques ».
C’est dans cette fenêtre de 50 degrés, d’environ 840 à 890 °C, que les colonnes naissent réellement. À ce stade, la lave n’est plus de la lave en aucun sens réel du terme. C’est une roche chaude, sombre et solide, soumise à une déformation croissante, et quelque part dans cet intervalle, elle cède. Les colonnes de la Chaussée des Géants et de Devils Postpile ne se sont donc pas fissurées dans de la pierre fondue. Elles se sont fissurées dans une roche en cours de refroidissement, à des centaines de degrés sous le point de solidification.
Tour d’horizon des grandes colonnades
La Chaussée des Géants, Irlande du Nord
La Chaussée est la tête d’affiche. Ses quelque 40 000 colonnes se sont formées au Paléocène, il y a environ 60 millions d’années, à l’époque où le nord-ouest de l’Europe se déchirait et où l’Atlantique Nord s’ouvrait. De vastes épanchements de basalte, la province magmatique de l’Atlantique Nord, ont inondé la région, et une épaisse nappe de lave s’est accumulée dans une ancienne vallée fluviale avant de refroidir en colonnes, celles sur lesquelles nous marchons aujourd’hui. L’UNESCO, qui a inscrit le site au patrimoine mondial en 1986, y décrit « quelque 40 000 grandes colonnes polygonales de basalte, de forme régulière, aux sections horizontales parfaites, qui forment un pavage ».
Il y a ensuite Finn McCool. Dans la légende, le géant irlandais Fionn mac Cumhaill construisit la chaussée à travers la mer pour affronter le géant écossais Benandonner. Quand Fionn vit l’énormité de son rival, il s’enfuit chez lui, et sa femme, qui avait l’esprit vif, le déguisa en bébé dans un berceau. Benandonner arriva, jeta un seul regard à la taille du « nourrisson », jugea que le père devait être un monstre et détala vers l’Écosse en arrachant la chaussée derrière lui pour qu’on ne puisse pas le suivre. Le mythe a un écho géologique : les colonnes de basalte analogues de la grotte de Fingal, sur l’île écossaise de Staffa, appartiennent à la même province volcanique, à l’autre bout de la même route disparue.
Devils Postpile, Californie
Dans la Sierra Nevada, près de Mammoth Mountain, une coulée de basalte vieille de moins de 100 000 ans a rempli une vallée glaciaire et refroidi en un ensemble de colonnes d’une netteté exceptionnelle. Devils Postpile est l’exemple de manuel précisément parce que ses colonnes sont si régulières ; l’USGS en attribue le mérite à une « composition magmatique uniforme, une petite taille de cristaux et une histoire de refroidissement lente dans un canyon fluvial ». Plus tard, un glacier est passé par-dessus la formation, a arasé le sommet des colonnes, puis l’a poli jusqu’à le faire briller. Le résultat est rare : vous pouvez gravir un sentier jusqu’au sommet et regarder droit vers le bas, sur les hexagones vus de dessus, un carrelage poli par le glacier, 18 mètres au-dessus de l’éboulis de colonnes tombées à la base.
Devils Tower, Wyoming, le cas à part
Devils Tower arbore les mêmes colonnes cannelées, ce qui explique sa place dans toute conversation sur la disjonction colonnaire, mais elle fait figure d’exception, à deux titres. D’abord, ce n’est pas du basalte. La tour est faite de porphyre phonolitique, une roche magmatique de teinte claire à verdâtre, parsemée de cristaux de feldspath, mise en place par intrusion il y a environ 40 millions d’années. La physique de sa fissuration est la même histoire de contraction, mais la roche est chimiquement distincte du basalte de la Chaussée et de Devils Postpile.
Ensuite, les géologues se disputent encore sur la manière dont elle s’est mise en place. Tout le monde s’accorde à dire qu’il s’agit d’une roche magmatique mise à nu par l’érosion, à mesure que les roches sédimentaires plus tendres qui l’entouraient s’usaient. Ce que personne n’a tranché, c’est la nature du corps magmatique. Au cours du siècle dernier, les hypothèses ont compris un culot volcanique ou neck, un laccolite, un stock et, plus récemment, un corps de lave mis en place dans un volcan de type maar-diatrème. L’USGS affirme sans détour que « les géologues débattent pour savoir si le magma a atteint la surface sous la forme d’une éruption volcanique ». Devils Tower rappelle qu’un relief célèbre peut être parfaitement bien décrit sans pour autant être entièrement expliqué.
La disjonction colonnaire au-delà de la Terre
Comme la recette se résume à « un corps épais de matière qui se contracte en refroidissant », ce motif n’est pas propre à la Terre, ni propre à la roche. Vous pouvez faire naître une disjonction colonnaire dans une cuisine. En 2009, Lucas Goehring, L. Mahadevan et Stephen Morris ont publié dans PNAS une étude montrant que des bouillies épaisses de fécule de maïs en train de sécher se fissurent en colonnes « géométriquement semblables aux diaclases colonnaires de la lave en refroidissement que l’on trouve sur des sites géologiques tels que la Chaussée des Géants ». La fécule sèche ; la lave refroidit ; les mathématiques sous-jacentes de la fissuration sous contrainte différentielle sont les mêmes, et les motifs se ressemblent donc.
La même année, une équipe dirigée par Moses Milazzo, à l’aide de la caméra HiRISE de la NASA, a signalé une disjonction colonnaire sur Mars. Dans la paroi d’un cratère récent de 16 kilomètres, dans une région appelée Marte Vallis, ils ont trouvé des colonnes d’environ 30 à 40 mètres de haut qui « présentent les caractéristiques des basaltes colonnaires terrestres », la première détection sans ambiguïté d’une disjonction colonnaire sur une autre planète. La lave a refroidi sur Mars à la façon dont elle refroidit dans l’Antrim, et elle a laissé la même signature. Le nid d’abeilles, en fin de compte, appartient à la physique elle-même, et il apparaît partout où les conditions se répètent.
Questions fréquentes
Pourquoi les colonnes de basalte sont-elles hexagonales ?
En se contractant, la roche qui refroidit accumule de la tension et se fissure. Une contrainte qui tire également dans toutes les directions se relâche le plus efficacement grâce à trois fissures qui se rejoignent à des angles de 120 degrés, et un réseau de jonctions à 120 degrés découpe la surface en polygones à six côtés. La disposition hexagonale libère le plus d’énergie de déformation ; c’est donc la configuration dans laquelle les fissures se stabilisent naturellement.
Toutes les colonnes de basalte ont-elles six côtés ?
Non. L’hexagone est la forme la plus courante, mais pas la seule. Les colonnes peuvent avoir de trois à sept côtés. Même à Devils Postpile, l’une des formations les plus régulières de la Terre, seulement 55 % environ des colonnes sont de vrais hexagones ; les autres ont surtout cinq ou quatre côtés.
Combien de temps la Chaussée des Géants a-t-elle mis à se former ?
La lave a été émise il y a environ 60 millions d’années, au Paléocène, dans le cadre de l’activité volcanique qui a accompagné l’ouverture de l’Atlantique Nord. Les colonnes proprement dites se sont formées pendant le refroidissement de cette nappe de lave, un processus de contraction et de fissuration qui s’est déroulé tandis que la roche solide traversait des températures d’environ 840 à 890 °C.
Devils Tower est-elle faite de basalte ?
Non. Malgré ses colonnes semblables à celles du basalte, Devils Tower est faite de porphyre phonolitique, une roche magmatique chimiquement différente, mise en place par intrusion il y a environ 40 millions d’années. Son origine précise est encore débattue : les géologues sont partagés entre un neck volcanique, un laccolite ou un corps mis en place dans un volcan de type maar-diatrème.
Où peut-on voir du basalte en colonnes ?
Parmi les sites célèbres figurent la Chaussée des Géants en Irlande du Nord, Devils Postpile en Californie, la grotte de Fingal sur l’île de Staffa, en Écosse, le flanc de Devils Tower dans le Wyoming (de la phonolite plutôt que du basalte), ainsi que de nombreuses coulées de basalte dans le monde entier. La disjonction colonnaire a même été photographiée sur Mars, dans Marte Vallis.
La forme du refroidissement
Les colonnes de la Chaussée des Géants ne sont pas la route d’un géant, et elles ne sont pas figées en pleine coulée. Elles sont l’archive d’une roche solide qui refroidit à travers une bande étroite de températures, se contracte et trouve le moyen le moins coûteux de se disloquer. La même arithmétique du retrait se retrouve dans une étendue de boue qui sèche, un plat de fécule de maïs et la paroi d’un cratère sur Mars. Une fois que vous avez vu les hexagones à un endroit, vous commencez à en trouver partout, ce qui est exactement ce à quoi l’on s’attend de la part d’un processus gouverné par la physique.
