Le poids des volcans hawaiiens // The weight of Hawaiian volcanoes

L’État d’Hawaii est l’un des endroits les plus exposés aux séismes aux États-Unis. Contrairement à d’autres Etats comme la Californie où les secousses sont liées au mouvement des plaques tectoniques, la sismicité à Hawaii est à mettre directement en relation avec les volcans.

La sismicité à Hawaii est due à trois causes principales : 1) le mouvement du magma sous les volcans actifs ; 2) le glissement des flancs des volcans le long de la zone entre l’ancienne croûte océanique et les volcans sus-jacents ; 3) la flexion de la croûte terrestre et du manteau supérieur sous le poids des volcans.

Un séisme de M 5.2 lié à la troisième cause s’est produit le 5 juillet 2021 à 5 km au large de la côte nord de Big Island, à 27 kilomètres sous le niveau de la mer. Deux jours plus tard, un événement de M 4.2 a été enregistré sur le côté ouest de la Grande Ile. Les deux séismes étaient probablement liés aux contraintes exercées par le poids énorme des volcans– en particulier le Mauna Loa et le Mauna Kea – sur la croûte et le manteau.

Les contraintes générées par le poids des volcans sont faciles à comprendre. Au fur et à mesure que les volcans hawaiiens entrent en éruption et prennent du volume, ils ajoutent de plus en plus de poids à la surface de la Terre. Cela provoque un fléchissement de la plaque Pacifique, un peu comme le poids des livres fait fléchir une étagère. Un certain poids peut simplement faire fléchir l’étagère, mais un excès de poids peut provoquer sa rupture. Une telle rupture peut se produire si les plaques tectoniques plient et n’arrivent plus à supporter le poids qui les surmonte.

Les séismes causés par ce phénomène peuvent être assez importants ; certains peuvent avoir une magnitude supérieure à M 6.0. Parmi les séismes de flexion de plaque tectonique à Hawaï, on notera le séisme de M 6,8 à Lanai le 19 février 1871, un événement de M 6,8 à Maui le 22 janvier 1938 ou un séisme de M 5,2 à Oahu le 28 juin 1948. Ces séismes sont profonds, généralement entre 25 et 40 km, dans le manteau supérieur sous les volcans et la croûte océanique.

Pour analyser ces séismes, les scientifiques du HVO utilisent généralement les données GPS qui permettent de calculer comment un point spécifique à la surface de la Terre se déplace dans le temps. Le HVO exploite un réseau de plus de 65 stations GPS sur l’île d’Hawaii. Elles permettent de surveiller et suivre des mouvements extrêmement faibles à la surface de la Terre, y compris certains déplacements liés à la contrainte de flexion des plaques.

Pour améliorer la compréhension scientifique de la flexion des plaques dans l’archipel hawaiien, 7 nouveaux sites GPS sont en cours d’équipement sur les îles d’Hawaï, Molokai et Lanai. Ces nouveaux sites ont été choisis dans le but d’analyser les mouvements associés à la flexion des plaques, mais aussi pour se rendre compte si certains mouvements résultent de la flexion des plaques ou de la dynamique de systèmes magmatiques profonds sous les volcans.

Source : USGS/HVO.

On notera que cette flexion de l’écorce terrestre sous le poids des volcans est l’inverse du rebond isostatique observé dans les régions où la fonte des glaciers fait chuter leur masse et entraîne un soulèvement de l’écorce terrestre, comme en Islande, par exemple.

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The State of Hawaii is one of the most seismically active locations in the United States. Unlike some other earthquake-prone places in the US, like California, where the earthquakes are related to tectonic plates sliding past each other, seismicity in Hawaii is related to volcanoes.

There are three main causes for earthquakes in Hawaii are: 1) the movement of magma under active volcanoes; 2) the sliding of volcanoes’ flanks along the surface that separates the ancient oceanic crust and overlying volcanoes; 3) the bending or flexing of the Earth’s crust and upper mantle in response to the weight of the overlying volcanoes.

An M 5.2 earthquake related to the third cause occurred on July 5th, 2021 5 km off the north shore of Big Island at 27 kilometres below sea level. Two days later, an M 4.2 event occurred on the west side of the Island of Hawaii. Both earthquakes were likely related to stress caused by the enormous weight of the Hawaiian volcanoes – especially Mauna Loa and Mauna Kea – on the underlying crust and mantle.

The stress caused by the weight of the volcanoes is easy to understand. As Hawaiian volcanoes erupt and grow, they add more and more weight to the Earth’s surface. This causes the Pacific Plate to flex downward, much like the bending caused by heaving books on an overloaded bookshelf. Some weight may just make the shelf bow, but a lot of weight may cause the shelf to start to splinter or break. Those breaks are similar to what happens in tectonic plates if they bend too. Earthquakes caused by this flexure can be quite large ; some can be greater than M 6.0.

Some additional past Hawaiian flexure earthquakes include the M 6.8 Lanai earthquake on February 19th, 1871, an M 6.8 event in Maui on January 22nd, 1938, or an M 5.2 quake in Oahu on June 28th, 1948.

These earthquakes are deep, typically 25–40 km, within the uppermost mantle underneath volcanoes and oceanic crust. To measure these quakes, HVO scientists typically use GPS data. GPS instruments allow to calculate how a specific point on the Earth’s surface moves throughout time. HVO operates a network of over 65 GPS stations on the Island of Hawaii. They are used to monitor and track extremely small movements at the Earth’s surface, including some displacements related to plate flexure stress.

To improve the scientific understanding of plate bending in the Hawaiian Islands, 7 new GPS sites are being equipped on the islands of Hawaii, Molokai, and Lanai. These new sites are strategically placed to capture movement associated with plate bending and to test whether certain motions result from ongoing plate bending or from the dynamics of very deep magmatic systems beneath the volcanoes.

Source : USGS / HVO.

It should be noted that this bending of the Earth’s crust under the weight of volcanoes is the reverse of the isostatic rebound observed in regions where the melting of glaciers causes their mass to drop and the Earth’s crust to rise, as in Iceland, for instance.

Le Mauna Loa (à gauche) et le Mauna Kea (à droite) exercent un pression considérable sur l’écorce terrestre (Photo : C. Grandpey)

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