Halema’uma’u (Hawaii): Résultats de l’analyse de l’eau // Results of water analysis

Comme prévu, le HVO a récemment échantillonné l’eau du lac qui est apparu au fond du cratère de l’Halema’uma’u, au sommet de Kilauea. Le niveau de cette eau a augmenté d’environ 90 centimètres par semaine depuis sa première apparition le 25 juillet 2019. Jusqu’à présent, le HVO ne pouvait qu’évaluer à distance la taille du lac, observer sa couleur et estimer sa température. En voyant la lac s’agrandir, le HVO a décidé d’élaborer une stratégie pour échantillonner son eau. En effet, la chimie du lac est une bonne indication de la provenance de l’eau, de son influence possible sur le dégazage et donc des risques potentiels au sommet du Kilauea.
Il a été décidé qu’un drone serait la meilleure solution pour l’échantillonnage. Le 26 octobre, un engin a prélevé avec succès 0,73 litre d’eau du lac. L’échantillon a ensuite été envoyé à des laboratoires sur le continent pour des analyses exhaustives.
Les résultats obtenus jusqu’à maintenant indiquent que l’eau est acide, avec un pH de 4,2 (le pH neutre est de 7). Il est intéressant de noter que la plupart des lacs de cratères ont un pH inférieur à 3,5 (plus acide) ou supérieur à 5 (moins acide), ce qui place le lac de l’Halema’uma’u dans la moyenne.
Une modélisation mathématique effectuée avant l’apparition du lac indiquait que l’eau de la nappe phréatique était susceptible de pénétrer dans le cratère de l’Halema’uma’u une fois que l’environnement se serait suffisamment refroidi, après la disparition du lac de lave qui avait séjourné dans le cratère entre 2008 et 2018. Il n’est donc pas surprenant de voir de l’eau appraître dans le cratère.
Cependant, il est important de noter que l’Halema’uma’u est l’endroit où les émissions sommitales de dioxyde de soufre (SO2) sont les plus importantes, et que le SO2 se dissout facilement dans l’eau.
Lorsque l’eau souterraine s’écoule en direction du cratère en cours de refroidissement, elle dissout le SO2 provenant du magma situé en dessous. Cela conduit à des concentrations élevées d’ions sulfate dans le lac (53 000 milligrammes par litre) et à un pH plus acide.
A côté de cela, cette eau acide réagit chimiquement avec le basalte du Kilauea, ce qui diminue son acidité et augmente donc son pH. On observe aussi des concentrations élevées de magnésium dans l’eau. Les rapports magnésium / sodium et sodium / potassium dans l’eau du lac sont semblables à ceux du basalte du Kilauea, confirmation des réactions chimiques entre l’eau et la roche.
Les concentrations de calcium ne sont pas très élevées dans l’échantillon d’eau prélevé. Cela s’explique par le fait que le calcium se combine avec des ions sulfate pour former des minéraux solides qui précipitent dans l’eau. Le fer est également susceptible de former divers minéraux, ce qui explique les teintes jaunâtres du lac.
Les réactions complexes entre les gaz et les roches environnantes expliquent pourquoi l’eau du lac dans l’Halema’uma’u est chimiquement différente de la nappe phréatique au fond d’un puits de recherche situé au sud de Halema’uma’u et aussi de l’eau de pluie. Les tests effectués sur l’oxygène et l’hydrogène qui forment les molécules d’eau révèlent que l’eau du lac était à l’origine une eau de pluie qui a percolé dans le sous-sol où sa chimie a évolué.
Le niveau du lac au fond de l’Halema’uma’u continue à s’élever. Le pH actuel reflète un équilibre entre les eaux souterraines qui y pénètrent et le niveau des émissions de SO2 en provenance du sous-sol. Si le niveau du lac se stabilise ou si la quantité de SO2 change, le pH est susceptible de se modifier. Sur le Pinatubo aux Philippines, après l’éruption de 1991, un lac de cratère s’est formé avec un pH presque neutre, mais l’eau est devenue plus acide quand le dégazage de SO2 s’est intensifié, avec l’apparition d’une activité volcanique ultérieure.
Les analyses chimiques confirment que le lac au fond du cratère de l’Halema’uma’u dissout le SO2 d’origine magmatique. Cela signifie que les niveaux d’émission de SO2 mesurés par le HVO (environ 30 tonnes par jour) sous-estiment le SO2 émis globalement par le Kilauea. Sans le lac, les émissions de SO2 au sommet du volcan seraient probablement plus élevées. Cette découverte est importante car un niveau d’émission de SO2 en hausse peut indiquer la présence de magma à faible profondeur.  .
Source: HVO.

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As expected, HVO recently sampled the Halema‘uma‘u water lake at the bottom of Kilauea’s summit crater. The water has risen about 90 centimetres per week since first spotted on July 25th, 2019. Initially, HVO was limited to remote observations of lake size, colour, and surface temperature. As the lake grew, HVO began formulating a plan to sample the water. Indeed, the lake’s chemistry could reveal where the water was coming from and what it might mean for degassing and potential hazards at Kilauea’s summit.

It was decided that a UAS was the best option for sampling. On October 26th, a drone successfully collected about 0.73 litres of water from the lake. The sample was then shipped to mainland USGS laboratories for sophisticated analyses.

Results thus far indicate an acidic lake, with a pH of 4.2 (neutral is pH 7). Interestingly, most volcanic crater lakes have a pH of less than 3.5 (more acidic) or higher than 5 (less acidic), which places the Halema’uma’u lake in the midddle range.

Mathematical modelling performed prior to the lake’s appearance predicted that groundwater could flow into Halema‘uma‘u once the area had cooled enough after the 2008-18 lava lake drained away. So, it was not entirely a surprise when water began to pond in the crater.

But, it’s important to note that Halema‘uma‘u is where most summit sulfur dioxide (SO2) degassing takes place, and that SO2 dissolves readily in water.

As water flows underground toward the now-cooling crater, it dissolves SO2 rising from magma below. This leads to high concentrations of sulfate ions in the lake (53,000 milligrams per liter) and a tendency towards a more acidic pH.

However, that acidic water reacts chemically with Kilauea’s basaltic rock, which makes the lake less acidic (raises the pH) and results in high concentrations of magnesium in the water. The ratios of magnesium to sodium and of sodium to potassium in the lake water are similar to those ratios in Kilauea’s basalt, which is further evidence of chemical reactions between the water and rocks.

Calcium concentrations are not very high in the water sample; calcium is instead combining with sulfate ions to form solid minerals that precipitate from the water. Iron is also likely forming various minerals, contributing to the lake’s yellowish colours.

Complex gas/rock reactions result in Kilauea’s lake water being chemically different from groundwater in a research well south of Halema‘uma‘u and from rainwater. Testing of oxygen and hydrogen that form the water molecules indicate that the lake water was originally rain that percolated into the subsurface where it became groundwater and the chemistry changed.

The Halema’uma’u lake is still rising. The current pH reflects the balance between incoming groundwater and the degree of SO2 degassing from below. If the lake level stabilizes, or the amount of SO2 changes, the pH may also change. At Mount Pinatubo (Philippines), after the 1991 eruption, a crater lake formed with a nearly-neutral pH but became more acidic with increased SO2 degassing and later volcanic activity.

Chemical analyses confirm that the Halema’uma’u crater lake dissolves magmatic SO2. This implies that HVO’s measured SO2 emission rates (about 30 tonnes per day) underestimate the total outgassed SO2 at Kilauea. Without the lake, SO2 emissions from the summit would likely be higher. This finding is important given that an increasing SO2 emission rate can indicate shallowing magma.

Source : HVO.

Le lac acide au fond du cratère de l’Halema’uma’u (Crédit photo: HVO)

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