L’esprit d’innovation en volcanologie // Volcanology requires an innovative spirit

Tous les volcanologues savent qu’il faut être inventif lorsque l’on travaille sur le terrain. Je me souviens de l’ »autocuiseur » mis au point par le regretté François Le Guern pour prélever et analyser des gaz sur l’Etna. Personnellement, j’ai conçu une gaine de cuivre spéciale pour protéger la sonde de mon thermomètre lors des mesures de températures au milieu de gaz agressifs sur l’île de Vulcano en Sicile.
Un article écrit par des scientifiques de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) explique qu’ils continuent une longue tradition d’innovation – débutée avec la naissance du HVO en 1912 – en ce qui concerne les outils utilisés pour surveiller l’activité des volcans de l’archipel. Les géologues créent continuellement des équipements et des méthodes afin de s’adapter aux conditions changeantes et profiter des nouvelles technologies.
Par exemple, une innovation récente a été motivée par un tiltmètre défectueux logé à l’intérieur d’un trou de forage sur le flanc ouest du Mauna Loa. Le tiltmètre, qui a été installé il y a 17 ans, fonctionnait parfaitement jusqu’au jour où il a rendu l’âme. Il fait partie d’un réseau d’instruments logés en profondeur sur le Mauna Loa, avec des sismomètres, des tiltmètres et des jauges de contraintes. Ces instruments extrêmement sensibles sont logés dans des trous de forage de plus de 15 mètres de profondeur pour les protéger des effets de la température, des précipitations et des fluctuations de la pression atmosphérique susceptibles de causer des signaux parasites.
Le tiltmètre proprement dit est un tube en métal d’un mètre de long et 5 centimètres de diamètre qui contient des capteurs électrolytiques de précision capables de détecter les moindres variations d’inclinaison dans deux directions perpendiculaires. Il peut mesurer des inclinaisons inférieures à un microradian, ce qui est à peu près  la pente créée en mettant une pièce d’un centime d’euro sous l’extrémité d’une tige d’un kilomètre de long!
La difficulté consiste à faire descendre ce tube à une quinzaine de mètres dans un trou de 10 centimètres de diamètre avec un tas de câbles qui serpentent déjà à l’intérieur. Il faut positionner le tiltmètre de telle manière qu’il reste debout sans reposer sur aucun de ces câbles, ni sur les côtés du trou pendant que l’on verse du sable pour le maintenir en place. Qui plus est, il faut orienter le tiltmètre pour que ses capteurs soient alignés dans le sens nord-sud et est-ouest. Tout cela demande une bonne dose de technique !

Le HVO a trouvé une solution pour faciliter ce travail complexe. Il s’agit d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) qui a permis de concevoir une gaine qui entoure le tiltmètre tout en mettant à l’écart tous les câbles pendant que l’instrument est descendu dans le trou de forage. Cette gaine a été fabriquée à l’aide d’une imprimante 3-D qui a déposé, l’une après l’autre, plusieurs couches de thermoplastique pour réaliser un objet solide adapté à la tâche à effectuer.

Un autre appareil spécialement conçu, équipé d’une lumière et d’une caméra vidéo, maintient le tiltmètre et donne une vue en temps réel de la descente du tiltmètre à l’intérieur du trou de forage jusqu’à son positionnement final. L’installation a été couronnée de succès et le nouveau tiltmètre enregistre fidèlement les mouvements du sol sur le flanc ouest du Mauna Loa. Ces données sont envoyées au HVO via des liens radio afin que l’observatoire les reçoive en moins d’une minute. La finalité est que ce multimètre puisse alerter le plus tôt possible l’observatoire en cas d’ascension rapide du magma vers la surface, ce qui annoncerait une éruption imminente du Mauna Loa.
Source: USGS / HVO.

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All volcanologists know they have to be inventive when they are working on the field. I can remember the late François Le Guern “pressure cooker” to collect gases on Mt Etna. Personally, I devised a special copper sheath to protect the probe of my thermometer to measure temperatures on the island of Vulcano, amidst aggressive gases.

A weekly article written by scientists at the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explains that they have a long tradition of innovation when it comes to the tools that they use to monitor the status and activity of volcanoes. The tradition that started with HVO’s birth in 1912 continues to this day, with geologists continually adapting and creating equipment and methods in response to changing conditions and to take advantage of new technologies.

For example, a recent innovation was caused by a malfunctioning tiltmeter in a deep borehole on the west flank of Mauna Loa Volcano. The tiltmeter, which was originally installed 17 years ago, was fully operational before giving up. This instrument is part of a network of several deep sites on Mauna Loa that include seismometers, tiltmeters and strainmeters. These extremely sensitive instruments are housed in boreholes more than 15 metres deep to help isolate them from the effects of temperature, rainfall, and atmospheric pressure fluctuations, all of which can cause spurious signals.

The tiltmeter itself is a metal tube, one metre long and 5 centimetres in diameter, which contains precision electrolytic sensors that detect tiny tilt variations in two perpendicular directions. It can measure tilts smaller than one microradian, which is about the same as the slope created by putting a one-cent coin under one end of a board that is one kilometre long!

The difficulty lies with lowering that tube about 15 metres into a 10-centimetre diameter hole that also has a bunch of cables snaking up through it. You also have to position the tiltmeter so that it stays upright and does not rest on any of those cables or the sides of the hole while you pour sand to keep it in place. At that, you must orient the tiltmeter so that its sensors are aligned to north-south and east-west directions. This demands good engineering.

The solution HVO’s technical crew adopted was to use computer assisted drawing (CAD) software to design a specialized jig that sits around the tiltmeter and gently channels all the cables out of the way while the instrument is lowered into the borehole. The jig was manufactured using a 3-D printer, which put down layer after layer of thermoplastic to build a solid object with customized specifications.

Another specially built apparatus holds the jig, the tiltmeter, a light, and a video camera that provides a real-time view of the tiltmeter’s descent as it is lowered into the borehole and positioned at the bottom. The installation was successful, and the new tiltmeter is now faithfully recording ground tilt on the west flank of Mauna Loa. These data are sent back to HVO via radio links so that the observatory receives them in less than a minute. The finality is that this tiltmeter helps provide the earliest possible warning of rapid magma movement toward the surface, which would signal an impending Mauna Loa eruption.

Source: USGS / HVO.

Caldeira sommitale du Mauna Loa (Photo: C. Grandpey)

 

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