Le GPS et la surveillance volcanique // GPS and volcano monitoring

drapeau-francaisLe GPS (Global Positioning System) fait aujourd’hui partie de notre vie quotidienne. Beaucoup de gens en possèdent au moins un exemplaire, que ce soit dans leur smartphone (téléphone intelligent) ou dans leur voiture
Le GPS est également devenu un outil indispensable dans la surveillance volcanique. La Grande Ile d’Hawaii a été dotée d’un réseau de plus de 60 stations GPS conçues pour la recherche scientifique et exploitées par le personnel de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO). Ces stations sont utilisées pour contrôler les mouvements du sol et détecter ce qui se passe à l’intérieur et autour des volcans hawaïens.
En effet, lorsque le magma s’accumule dans le système d’alimentation d’un volcan, il fait monter la pression dans la chambre magmatique, ce qui provoque une inflation de l’édifice volcanique. A l’inverse, lorsque le magma s’évacue de la chambre (lors d’une éruption, par exemple), on enregistre une phase de déflation de l’édifice.
En mesurant le mouvement des stations GPS par rapport au réservoir magmatique, les scientifiques du HVO peuvent estimer la quantité de magma qui se déplace à l’intérieur et à l’extérieur du système d’alimentation. Avec un réseau dense de capteurs fournissant des données en continu, ils peuvent également détecter les changements susceptibles d’indiquer une ascension du magma vers la surface.
Les données GPS sont cruciales pour mesurer d’autres phénomènes volcaniques. Par exemple, elles sont utilisées pour contrôler le flanc sud du Kilauea et son mouvement vers l’océan, un processus qui crée des contraintes pouvant provoquer des séismes. Les grands séismes entraînent également des déplacements du sol qui peuvent être mesurés avec des GPS de qualité scientifique.
L’instrumentation dans une station GPS scientifique utilise les mêmes signaux qu’un smartphone ou un GPS automobile. Cependant, il y a deux différences importantes. Tout d’abord, les GPS scientifiques sont immobiles. Les antennes GPS à Hawaii sont solidement arrimées, étant donné que leur fonction est de mesurer les mouvements du sol proprement dit.
La seconde différence est la façon dont le HVO analyse les signaux GPS. Les instruments envoient des données via des liaisons sans fil au HVO où les scientifiques calculent les positions à l’aide d’une méthode beaucoup plus précise que celle dont dispose un appareil portatif. En fin de compte, les scientifiques obtiennent des positions précises à quelques millimètres près. Cela signifie qu’ils peuvent détecter des modifications très faibles et très lentes dans la morphologie du terrain.
Les GPS scientifiques fournissent également des mesures précises pour des mouvements du sol importants et rapides, comme ceux qui se produisent avant et pendant une éruption ou une intrusion magmatique.
Les évolutions récentes dans les techniques de traitement de données GPS scientifiques ont élargi leur champ d’applications. Elles sont capables de fournir des mises à jour seconde par seconde sur les mouvements du sol et calculer ces derniers en temps réel, ou quelques secondes seulement après leur collecte.

Même si les données GPS en temps réel ont une précision inférieure aux données GPS calculées sur une journée entière, elles peuvent détecter de manière fiable les mouvements du sol d’environ 5 cm, et des améliorations sont en cours pour augmenter cette précision.

Dans les jours, les heures et les minutes qui précèdent une éruption, la rapidité du HVO pour déterminer la direction empruntée par le magma devient essentielle. Plus grande sera la vitesse de réaction des scientifiques et plus précises seront les données fournies par les instruments, plus vite ils pourront informer et fournir des conseils à la Protection Civile et à la population sur le lieu et l’impact possible de l’éruption.
Source: USGS / HVO.

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drapeau-anglaisThe Global Positioning System (GPS) has become part of everyday life. Many people have it in their cell phones or in their cars

GPS has also become an indispensable tool in volcano monitoring. Hawaii Big Island has been equipped with a network of over 60 scientific-grade GPS stations operated by scientists at the USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO). They are used to monitor ground motion and detect what is happening inside and around Hawaiian volcanoes.

Indeed, as magma accumulates in a volcano’s plumbing system, it increases the pressure in the magma chamber, which pushes the ground outward. On the contrary, when magma leaves the chamber (during an eruption, for instance), the ground is drawn back inward.

By measuring the motion of GPS instruments toward and away from the magma reservoir, HVO scientists can estimate how much magma is moving in and out of the system. With a dense network of sensors and continuous data, they can also detect changes that might indicate magma movement toward the surface.

GPS data are also crucial for measuring other phenomena on the volcano. For example, GPS data are used to monitor the movement of Kilauea’s south flank toward the ocean, a process that creates stresses that can lead to earthquakes. Large earthquakes also produce permanent ground displacements that can be measured with scientific-grade GPS.

The instrumentation in a scientific GPS station utilizes the same signals as a cell phone or car navigation system. However, there are two key differences. First, scientific GPS instruments are not moved around. GPS antennas are tightly fixed to the ground, because their purpose is to measure the motion of the ground itself.

The second difference is the way HVO analyzes signals from GPS satellites. The instruments send data via wireless links to HVO, where scientists calculate positions by using a method which is far more accurate than a hand-held device can provide. In the end, they obtain positions precise to several millimetres. This means they can track very small and slow changes in the shape of the ground.

Scientific GPS also provides accurate measurements of large, fast motions, like those that occur before and during an eruption or intrusion.

Recent developments in data processing techniques have extended the use of scientific GPS data to provide second-by-second updates in ground position and to calculate these in “real-time,” or within seconds of data collection.

While “real-time” GPS has lower accuracy than GPS positions calculated over an entire day, they can now reliably detect motions of about 5 cm, and improvements are in progress to increase this accuracy. In the days, hours, and minutes leading up to an eruption, the speed at which HVO can determine where magma might be headed becomes critical. The more accurately and quickly scientists can get this information, the faster they can provide guidance to emergency managers and the public about possible eruption locations and impacts.

Source : USGS / HVO.

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Ce graphique – rafraîchi quotidiennement – montre les modifications de distance entre les deux stations GPS (carrés verts sur la carte) situées de part et d’autre de la caldeira du Kilauea.

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4 réflexions au sujet de « Le GPS et la surveillance volcanique // GPS and volcano monitoring »

  1. Bonjour Claude
    Même si je connais ton faible pour le Kilauea, tu ne dois quand même pas laisser l’impression que seul le HVO utilise le GPS pour la surveillance volcanique.
    Meilleurs saluts
    Paul

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    1. Bonjour Paul,
      Il est bien évident que le HVO n’est pas le seul observatoire a utiliser les données GPS, mais il se trouve que, contrairement à d’autres observatoires (suivez mon regard), le HVO diffuse des informations sur les travaux effectués sur le terrain. Bien que n’étant pas scientifique de formation, j’ai été autorisé – au vu de mes recherches personnelles – à travailler pour les observatoires américains (Hawaii et Yellowstone), chose inconcevable en France… C’est pour cela que je n’hésite pas à mettre en avant les travaux réalisés par les scientifiques américains. Dans quelques jours, Yellowstone sera à l’honneur.
      Très cordialement,
      Claude Grandpey

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  2. Bonjour Claude,
    Je pensai que l’inflation d’un édifice volcanique était essentiellement due à l’ascension du magma au travers de fissures et venait ainsi exercer une force sur l’encaissant au point de le déplacé, force éminemment archimédienne. Si le magma pouvait ainsi remonter, c’est que sa densité était amoindri pas l’augmentation du volume de gaz dissous. A ce stade il n’était pour moi pas question, ou très peu, de gaz sous forme gazeuse, contrairement à ce que certains scientifiques soutiennent (suivez mon regard). C’est ainsi que je comprends l’utilisation des GPS qui peuvent mesurer des déplacements de matière dense mais pas encore l’apparition de gaz. Or s’agissant de l’éruption proprement dites, c’est bien l’ex-solution des gaz qui provoque une pression suffisante pour éclater les roches supérieures et entrainer les magmas vers l’extérieur du volcan. Les GPS ont donc une très grande utilité pour prévoir l’endroit où aura lieu cette explosion, mais ne servent pas à en prévoir le moment.
    Pensez vous que ma compréhension du phénomène éruptif soit à revoir ?
    Amitiés
    Pierre Chabat

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    1. Bonjour Pierre,
      En bon tarieffien, j’ai toujours été persuadé (et je le suis encore!) que les gaz sont le moteur des éruptions et ce sont eux qui participent directement à l’ascension du magma dans les conduits d’alimentation. C’est la masse du magma et sa poussée sur la roche encaissante qui fait réagir les tiltmètres et les GPS, sans oublier les sismos car il se produit inévitablement des fracturations de roches. En revanche, je ne suis pas convaincu que les gaz à eux seuls, aussi puissants soient-ils, sont capables de faire se déformer un édifice volcanique. De toute façon, ils ont forcément plus de facilité à s’évacuer que le magma, comme on peut le voir dans les heures qui précèdent une éruption. En conclusion (c’est mon intime conviction), si les gaz contribuent au phénomène éruptif, eux seuls ne sont pas capables de déformer la surface du sol de manière significative.
      Cordialement,
      Claude Grandpey

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