Mesure de l’épaisseur des coulées de lave // How to measure the thickness of lava flows

Au cours des premières années de l’éruption du Kilauea au niveau du Pu’uO’o, les scientifiques de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) ont mesuré l’épaisseur des coulées de lave en effectuant des relevés manuels en bordure de chaque coulée. Le volume de la coulée était ensuite calculé en multipliant sa surface par son épaisseur moyenne. Le débit éruptif était égal à ce volume divisé par la durée de l’éruption en secondes. Pendant la première année d’activité du Pu’uO’o en 1983, le débit éruptif a été estimé entre 15 et 65 mètres cubes par seconde. Cependant, cette méthode ne tenait pas compte de toutes les variations d’épaisseur des coulées à travers le champs de lave. Par exemple, de nombreuses coulées a’a, comme la coulée de lave émise par la Fracture n° 8 en 2018, abritent un chenal ou une cavité vide. En conséquence, si l’on suppose que la coulée présente une épaisseur constante, on surestime le volume de la lave ainsi que le débit éruptif.
En 1993, les scientifiques ont utilisé un radar aéroporté et survolé Kilauea à un peu moins de 8 km d’altitude. Le radar pouvait élaborer une image des coulées de lave avec une précision de 1 à 2 mètres. Il était également en mesure de fournir des milliers de points de hauteur de la surface de chaque coulée de lave, et pas seulement l’épaisseur en bordure de coulée, comme cela se faisait auparavant. Le volume d’une coulée calculé de cette manière (hauteur de la surface du sol avant la éruption soustraite de la hauteur de la lave de 1993) était légèrement supérieur à celui calculé avec la méthode classique de mesure manuelle en bordure des coulées.

Un progrès dans la mesure de l’épaisseur des coulées est intervenu avec l’arrivée du LIDAR [Light (ou Laser Imaging) Detection And Ranging], appareil qui émet un faisceau laser et en reçoit l’écho (comme le radar), ce qui permet de déterminer la distance d’un objet. Le LIDAR a été embarqué à bord d’avions ou d’hélicoptères et a envoyé des milliards d’impulsions laser en direction du sol. On a ainsi obtenu une foule de données précises (à quelques centimètres près) sur l’épaisseur des coulées de lave.
Au cours des dernières années, les géologues ont obtenu des résultats semblables en hélicoptère, en prenant des photos numériques superposées du sol, avec pour chaque cliché les coordonnées GPS de l’appareil photo. Les logiciels informatiques utilisant la “Surface-from-Motion” (SfM) technique – Surface à partir du Mouvement – peuvent identifier automatiquement les emplacements communs sur des photos adjacentes et réaliser une image 3 D des hauteurs du sol à partir de centaines de photos. Un autre avantage est que les photos peuvent être assemblées pour produire une carte haute résolution, en mosaïque de photos, de la zone observée.
Lors de l’éruption dans l’East Rift Zone du Kilauea en 2018, des appareils photo ont été embarqués sur des drones. A partir de quelque 2 800 photographies aériennes, le logiciel SfM a calculé 1,5 milliard de points communs qui ont été connectés pour créer un modèle altimétrique numérique à l’échelle du centimètre de la coulée de lave dans le district de Puna. Un modèle pré-éruptif obtenu avec le LIDAR a été soustrait du modèle réalisé avec la technique SfM du drone pour produire une carte d’épaisseur des coulées de lave. Une première version de cette carte, publiée sur le site web du HVO le 19 février 2019, est visible ci-dessous. (https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/multimedia_maps.html)

En utilisant cette première ébauche de la carte, on peut obtenir une estimation approximative du volume total de lave émis au cours de l’éruption : environ 0,8 kilomètre cube. En tenant compte des cavités dans la lave et en divisant par la durée de l’éruption, on obtient un débit éruptif minimum d’environ 50 à 200 mètres cubes par seconde. Ce débit éruptif est nettement supérieur à la plupart de ceux enregistrés lors des précédentes éruptions du Kilauea.

Source: USGS / HVO.

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During the first few years of Kilauea Volcano’s eruption at Pu’uO’o, Hawaiian Volcano Observatory (HVO) scientists measured thicknesses using hand levels at multiple locations along the edges of each lava flow. The flow volume was then calculated as the product of the flow area multiplied by the average flow thickness. The eruption rate equalled this volume divided by the duration of the eruption in seconds. For the first year of Pu’uO’o activity in 1983, calculated eruption rates were 15-65 cubic metres per second. However, this method did not rale into account all the variations of lava flow thicknesses across flows. For example, many a’a flows, like Kilauea’s fissure 8 lava flow in 2018, host an empty lava channel. If they assumed that the flow was uniformly as thick as the height of its edges, scientists would overestimate the lava flow volume as well as the eruption rate.

In 1993, scientists used an airborne radar flown over Kilauea at an altitude of just under 8 km. The radar could image a lava flow with accuracies of 1-2 metres and determine thousands of surface elevations for each lava flow, not just a few thicknesses along its edge. Flow volumes calculated this way (pre-eruption elevations of the ground surface subtracted from the 1993 elevations of a lava flow) were slightly higher than those calculated with the simpler method of measuring thicknesses along flow edges.

The next improvement in measuring flow thickness was the development and use of Light Detection and Ranging (LIDAR). Specialized equipment was flown over an area by airplane or helicopter, from which billions of laser pulses showered down to the ground. This produced details on lava flow surface elevations accurate to a few centimetres.

Over the last few years, similar results have been obtained by geologists in helicopters snapping overlapping digital photos of the ground, each tagged with the camera’s GPS coordinates. Computer software, using the “Surface-from-Motion” (SfM) technique, can automatically identify common locations in adjacent photos and assemble a 3-dimensional image of ground elevations from hundreds of photos. A bonus is that the photos can be stitched together to produce a single, high-resolution, photo mosaic map of the area.

During Kilauea’s 2018 lower East Rift Zone eruption, cameras on drones did the photography. Using about 2,800 aerial photographs, the SfM software calculated 1.5 billion common points that were connected to create a centimetre-scale digital elevation model of the Puna lava flow. A pre-eruption LIDAR digital elevation model was subtracted from the drone SfM digital elevation model of the erupted flows to produce a lava flow thickness map. A preliminary version of this map was posted on the HVO website on February 19, 2019 and can be seen here below. (https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/multimedia_maps.html)

Using the preliminary map, one can calculate a rough estimate of the total volume of lava erupted and added to the land surface: about 0.8 cubic kilometres. When corrected for voids in the lava and divided by the duration of the eruption, this yields a minimum eruption rate of about 50-200 cubic metres per second. This eruption rate is significantly larger than most known Kilauea eruption rates.

Source : USGS / HVO.

Source: USGS / HVO

La Fracture n°8 a émis d’énormes quantité de lave dans l’East Rift Zone  en 2018 (Crédit photo : USGS /HVO)

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