Mesure de la hauteur du lac de lave du Kilauea (Hawaii) // Measuring the height of the Kilauea lava lake (Hawaii)

Comme je l’ai écrit à plusieurs reprises, le niveau du lac de lave dans le cratère de l’Halema’uma’u varie continuellement en fonction des variations – à la fois profondes et superficielles – dans le système d’alimentation magmatique. Lorsque les inclinomètres enregistrent une inflation de l’édifice volcanique, la lave s’élève dans l’Overlook Crater. Inversement, son niveau baisse lorsque les instruments enregistrent un épisode de déflation.
Thomas Jaggar, fondateur de l’Observatoire des Volcans d’Hawaï (HVO), fut peut-être le premier à reconnaître l’importance du niveau d’un lac de lave quand, il y a plus d’un siècle, il a lancé une campagne de mesures de l’Halema’uma’u. Ces mesures ont montré les fluctuations de niveau du lac pendant plus d’une décennie, jusqu’à sa vidange en 1924.
Contrairement aux apparences, la mesure du niveau d’un lac de lave n’est pas chose facile. Il n’existe pas de marégraphe ou de repère de profondeur de la lave dans le cratère. Aujourd’hui, les scientifiques du HVO utilisent essentiellement un télémètre laser pour calculer la hauteur du lac de lave, mais cette technique nécessite une vue bien dégagée du cratère. En conséquence, des mesures continues et cohérentes, jour et nuit, par tous les temps, sont difficiles à réaliser.

C’est le défi qu’a tenté de relever une équipe scientifique composée de chercheurs du HVO, de l’Université de Cambridge et de l’University College de Londres. Les Britanniques ont mis au point un radar capable de mesurer la hauteur d’un lac de lave. Le premier exemplaire a été testé sur l’Erebus en Antarctique en 2016 dans le cadre du Programme Antarctique américain. Les mesures ont révélé des variations de niveau périodiques remarquables du lac de lave, avec des phases d’oscillation d’environ dix minutes. On ne sait pas pourquoi l’Erebus se comporte de celle manière. Des expériences en laboratoire sont en cours pour simuler l’activité et mieux la comprendre.
Dans la mesure où le matériel de mesure avait pu survivre aux conditions difficiles sur le volcan antarctique, les scientifiques étaient persuadés qu’il allait également être opérationnel à Hawaï. La dernière version du radar a été testée sur le Kilauea en janvier 2018.
Après une période de mise en route de quelques jours, le radar a fonctionné en autonomie pendant plus d’une semaine, en enregistrant le niveau du lac une fois par seconde. Des impulsions micro-ondes sont transmises depuis une antenne parabolique vers la surface du lac de lave. Une partie de l’énergie micro-onde est renvoyée et est captée par une autre antenne. La distance jusqu’au lac de lave est calculée en prenant en compte le temps écoulé entre la transmission et la réception des impulsions. Cette technique offre une mesure en continu relativement précise de la hauteur du lac de lave.

Les données collectées au cours de cette campagne de mesures sont en cours d’analyse, mais les premiers résultats semblent correspondre à d’autres mesures effectuées par le HVO. En même temps que le radar effectuait les mesures, un spectromètre infrarouge était positionné sur la lèvre du cratère pour enregistrer la composition des gaz émis par le lac de lave. La façon dont les gaz s’accumulent dans le lac de lave ou s’en échappent influe considérablement sur le niveau du lac. Une comparaison des variations du niveau de la lave et de la chimie des gaz devrait donner de bonnes indications sur les relations entre l’arrivée de magma à la surface, la libération des gaz et les fluctuations d’activité du lac de lave.
Source: USGS / HVO.

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As I put it several times before, the level of the lava lake within Halema’uma’u Crater varies continuously according to deep and shallow changes in the magma plumbing system feeding the lava lake. When tiltmeters record an inflation of the volcanic edifice, lava rises within the Overlook Crater. Conversely, its level drops when the instruments record a deflation episode.

Thomas Jaggar, founder of the Hawaiian Volcano Observatory (HVO), was perhaps the first to recognize the significance of lava lake level when, more than a century ago, he established a routine of measuring it at Halema‘uma‘u using traditional surveying equipment. His measurements charted the fluctuating lake level for over a decade until the lava drained away in 1924.

The lava lake level is not easy to measure. No one has put a tide gauge in the lava lake or a ruled depth marker in the crater. Today, HVO scientists primarily use a laser-rangefinder to calculate the lava lake height, but this requires a clear view into the crater. Making continuous and consistent measurements, day and night, in all weather, is even more demanding. This challenge has stimulated an international collaboration between HVO scientists and a small team of volcanologists and engineers from the University of Cambridge and the University College London.

The United Kingdom team has been developing a turnkey radar for measuring lava lake height, with the first system tested on Erebus volcano in Antarctica in 2016 under the auspices of the U.S. Antarctic Program. The measurements revealed a remarkable periodic rise and fall of the lava lake, with a single oscillation taking around ten minutes. Why Erebus volcano behaves like this is still unclear and laboratory experiments are now underway to simulate the activity and better understand the driving processes.

Trusting that if monitoring equipment can survive the harsh conditions that prevail on the remote Antarctic volcano it should also work in Hawaii, the latest version of the radar was brought for a trial run on Kilauea in January 2018.

After an initial setup period of a couple of days, the radar ran unsupervised for over a week, recording the level of the lake once per second. It works this way: Microwave pulses are transmitted from one dish towards the lava lake surface. Some of the microwave energy is reflected back and is received by the other dish. The distance to the lava lake is then calculated from the time taken between transmission and reception of the pulses, providing a sensitive measure of the lava lake height. Measurements can be made continuously.

The data collected during this period are still being analyzed, but they look consistent with other measurements made by HVO scientists.

At the same time the radar was running, an infrared spectrometer was positioned at the crater rim to record the composition of gases emitted from the lava lake. How gas accumulates in, or escapes from, the lava lake exerts a strong control on the lake level. Careful comparison of extended observations of lava lake height and gas chemistry promise to reveal yet more detailed insights into the relationships between the supply of magma to the surface, the release of gases, and the variable activity of the lava lake.

Source : USGS / HVO.

Les paraboles sur la lèvre de l’Overlook Crater (Crédit photo: USGS / HVO)

Vue du lac de lave dans le cratère de l’Halema’uma’u (Crédit photo: USGS / HVO)

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