Catégorie : Science

Volcan Taal (Philippines) : Prévision éruptive…ou pilotage à vue ?

Au cours de ma conférence « Volcans et risques volcaniques », j’explique que, malgré les outils technologiques ultra modernes (systèmes GPS, observations satellitaires, etc) dont disposent les scientifiques, la prévision volcanique reste très aléatoire, pour ne pas dire inexistante, surtout sur les volcans gris, les plus explosifs, donc les plus dangereux. Les terres étant très fertiles, des centaines de milliers de personnes vivent sur leurs pentes ou à proximité.

Lorsqu’un événement majeur se produit, les autorités mettent en général d’emblée en place le principe de précaution. On a tiré les leçons des éruptions meurtrières du passé et on n’attend plus de savoir si le volcan va se mettre vraiment en colère pour évacuer les populations menacées. La dernière éruption du Taal aux Philippines vient confirmer cette stratégie. Il suffit d’observer le déroulement des événements pour s’en rendre compte. Examinons les bulletins d’information émis par le PHIVOLCS (Philippine Institute of Volcanology and Seismomogy) pendant les jours qui ont précédé le réveil du volcan.

Dans un bulletin émis le 8 janvier 2020 à 8 heures du matin, le PHIVOLCS indiquait que le réseau sismique du Taal avait enregistré 29 séismes d’origine volcanique au cours des dernières 24 heures. Les dernières mesures effectuée début janvier révélaient une légère baisse de la température du lac dans le Main Crater (cratère principal), de 31.6°C à 31.5°C. On observait aussi une baisse du niveau de l’eau de 0.34 mètre, contre 0.27 mètre précédemment. L’acidité de l’eau avait augmenté et était passée d’un pH de 2.81 à un pH de 2.75. Le réseau GPS montrait aussi une inflation du volcan, mais sans changement significatif par rapport aux mesures précédentes sur le long terme. Au vu de ces paramètres, le PHIVOLCS avait mis en place le niveau d’alerte à 1, sur une échelle de 5. Cela signifiait qu’ « une éruption dangereuse n’était pas imminente. »

Le bulletin émis le 9 janvier à 8 heures était en grande partie identique à celui de la veille.

Même son de cloche le 10 janvier au matin où le PHIVOLCS signalait toutefois deux séismes susceptibles d’avoir été ressentis par la population.

Bis repetita les 11 et 12 janvier à 8 heures. Les bulletins émis par le PHIVOLCS étaient en tout point identique à ceux des jours précédents. Le niveau d’alerte volcanique était maintenu à 1.

Changement de décor dans le bulletin du 12 janvier à 14h30 ! Le PHIVOLCS signalait des émissions de vapeur dans le Main Crater, probablement générés par une activité phréatique. Rien de vraiment significatif dans l’activité sismique et la déformation du volcan. L’Institut signalait une augmentation régulière de la teneur en CO2 de l’eau du lac de cratère depuis février 2019. Par précaution, le niveau d’alerte volcanique passait de 1 à 2 (probable intrusion magmatique pouvant conduire à une éruption).  Il était demandé à la population de ne pas s’approcher du Main Crater.

Ce même jour à 16 heures, le PHIVOLCS faisait passer le niveau d’alerte de 2 à 3 car l’activité éruptive s’intensifiait avec un panache de 1 km de hauteur et une hausse de la sismicité. L’Institut expliquait qu’il se produisait probablement une intrusion magmatique et conseillait l’évacuation des barangays (unités administratives) d’Agoncillo et Laurel dans la province de Batangas à cause du risque de coulées pyroclastiques et de tsunami.

Une heure trente plus tard, à 17h30, le niveau d’alerte passait de 3 à 4 (dangereuse éruption imminente). L’éruption s’était intensifiée depuis le précédent bulletin, avec un panache de 10 à 15 km de hauteur et des retombées de cendre vers le nord du volcan. Le PHIVOLCS notait la présence de tremor et une hausse de l’activité sismique. Des fissures s’étaient ouvertes et d’autres s’étaient agrandies. Le PHIVOLCS s’attendait à une éruption majeure « dans les prochaines heures ou les prochains jours.» En conséquence, l’Institut conseillait fortement l’évacuation totale de Volcano Island et de la population dans un rayon de 14 km du Main Crater.

L’activité éruptive s’est poursuivie les jours suivants, sans que l’on assiste toutefois à l’éruption cataclysmale annoncée par le PHIVOLCS. Le niveau d’alerte était maintenu à 4 sur 5.

Le 25 janvier 2020, sismicité, déformation de l’édifice volcanique et émissions de SO2 poursuivant leur décrue, le PHIVOLCS a décidé de ramener le niveau d’alerte à 3, sans exclure une baisse à 2 les jours suivant si la baisse d’activité se confirme. Les personnes évacuées ont été en grande partie autorisées à rentrer chez elle. Les écoles primaires et secondaires de la province de Batangas restent toutefois fermées car elles hébergent les habitants de Agoncillo et Laurel, localités qui n’ont pas été jugées suffisamment sures par l’Institut.

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Les événements que je viens de mentionner montrent que la sismicité est restée intense pendant plusieurs jours avant de décliner progressivement. La cendre a envahi Volcano Island qui, selon les autorités, est en passe de devenir un no man’s land où toute implantation de population devrait être officiellement interdite, mais on sait d’avance qu’une telle mesure sera difficile à mettre en place.

Une évacuation à grande échelle a été décrétée sur une zone d’un rayon de 14 km par rapport au Main Crater. La carte à risque du Taal montre qu’environ 460 000 personnes habitent dans cette zone. Le 21 janvier, 148 987 personnes séjournaient dans 493 centres d’évacuation, en sachant que des milliers d’autres s’étaient réfugiées chez des parents et amis ailleurs dans le pays. La population et l’armée empêchaient les habitants évacués de revenir chez eux.

Ces événements confirment que la gestion de l’éruption s’est faite au jour le jour, au vu des paramètres du moment, surtout en fonction de l’intensité du panache éruptif et des retombées de cendre. L’éruption majeure envisagée par le PHIVOLCS n’a jamais eu lieu. Le principe de précaution a toutefois permis de mettre des dizaines de milliers de personnes à l’abri d’une possible éruption de grande ampleur. Les autorités philippines avaient sûrement en tête l’éruption du Pinatubo en 1991. L’événement avait alors tué quelque 800 personnes, un bilan relativement modéré au vu de la puissance de l’éruption.

Etant donné notre incapacité à réellement prévoir l’évolution d’une éruption sur un volcan explosif de la Ceinture de Feu du Pacifique, l’adoption du principe de précaution est à mes yeux une sage décision. Les autorités philippines ont par ailleurs eu la bonne idée de décréter une évacuation à grande échelle dès le début de l’activité éruptive. En 2010, j’avais critiqué l’évacuation pas à pas décidée par les autorités indonésiennes lors de l’éruption du Mérapi et ses quelque 340 morts. Dans le cas du Taal, aucune victime n’est à déplorer à ce jour. Il est vrai que le volcan a eu la bonne idée de ne pas envoyer de coulées pyroclastiques, ce qui est une différence majeure avec l’éruption du Merapi.

Source: Disaster Risk Reduction Management Council

La géodésie en volcanologie // Geodesy in volcanology

L’analyse du comportement d’un volcan met en oeuvre plusieurs paramètres, et donc plusieurs types d’instruments. Un article récemment mis en ligne par l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) explique le rôle joué par la géodésie pour mesurer les déformations du sol provoquées par les mouvements du magma dans les profondeurs de la Terre.
Les résultats des levés effectués après le séisme de magnitude M 7,9 à San Francisco en 1906, avec les bouleversements subis par les clôtures et les limites de propriété, ont fait comprendre l’importance de la géodésie pour interpréter les mouvements des failles, et favorisé son entrée dans les sciences de la terre.
Aujourd’hui, un géodésiste s’appuie essentiellement sur le système GPS, sans oublier pour autant les inclinomètres de forage et l’interférométrie radar (InSAR).
La géodésie sur un volcan consiste à effectuer plusieurs levés pour détecter les déplacements éventuels de points de repère. Lors de l’ascension du magma à l’intérieur d’un édifice volcanique, la roche environnante est logiquement poussée vers le haut. Toutefois, lorsque les scientifiques mesurent la position des points de repère, ils se rendent également compte que ces points s’écartent de la source magmatique. Aujourd’hui, les instruments installés en permanence sur un volcan contrôlent en permanence les points de repère afin de pouvoir détecter le moindre  mouvement du sol en quelques minutes.
Le développement et la maintenance du réseau permanent est l’un des travaux les plus importants de l’équipe géodésique du HVO. Ce réseau permanent comprend plus de 60 stations GPS et 16 inclinomètres. Les données fournies sont essentielles pour l’évaluation des risques. En particulier, les inclinomètres, qui sont ides instruments extrêmement sensibles, sont souvent les premiers à indiquer l’inflation de l’édifice volcanique lors de sa mise sous pression par le magma.
L’équipe géodésique du HVO est responsable de l’analyse et de l’interprétation des données fournies par les instruments qui fonctionnent parfaitement grâce à d’autres membres du personnel de l’Observatoire. Les ingénieurs construisent, installent et entretiennent les instruments utilisés sur le terrain. Les informaticiens s’assurent que les ordinateurs communiquent correctement avec les sites éloignés à partir desquels les données sont transmises et que tout fonctionne normalement pour analyser les données.
Outre le réseau géodésique permanent, des campagnes sont organisées chaque année pour collecter des données de référence supplémentaires à l’aide de stations GPS temporaires. Quelque 80 repères sont contrôlés chaque année pendant 2 ou 3 jours pour déterminer leurs variations annuelles de position. Dans certaines zones, ces levés permettent au HVO de déterminer plus précisément les variations de déformation sur plusieurs années.
Pour mieux interpréter les données, les géodésistes utilisent des modèles informatiques qui prévoient de manière simplifiée – avec des sphères ou des ellipsoïdes – le mouvement de la surface de la terre en fonction de l’expansion ou de la contraction des corps magmatiques. On utilise ces formes simples car elles correspondent convenablement aux données et sont moins longues à calculer que les corps de forme irrégulière. Le temps est important car plusieurs milliers de calculs sont utilisés pour tester différents modèles.

Le modèle le mieux adapté montre aux scientifiques la zone la plus probable où se déplace le magma, l’endroit où il s’accumule et donc le lieu où  il est proche de la surface et susceptible de déclencher une éruption. Cependant, les seules données géodésiques ne suffisent pas à donner une image complète d’un volcan. Elles doivent être interprétées conjointement avec des données géologiques, sismiques et gazières. C’est pour cela que les différentes équipes du HVO se réunissent pour élaborer des hypothèses sur l’activité du moment, le niveau de danger et les scénarios futurs.
Source: USGS / HVO.

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Analysing the behaviour of a volcano involves several parameters, and so several types of instruments. A recent article released by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explains the part played by geodesy to measure ground movements and deformation caused by magma in the depths on the Earth.

Results from surveys after the 1906 M 7.9 San Francisco earthquake, which offset fence lines and property boundaries, had a profound impact on researchers’ understanding of how faults move and favoured the entrance of geodesy into the earth sciences.

Today, a geodesist relies essentially on Global Positioning System (GPS) instruments, without forgetting borehole tiltmeters and satellite radar (InSAR).

Geodesy on a volcano consists in performing multiple surveys to determine how benchmark positions have changed. As magma moves into a volcano, the surrounding rock is pushed outward. When scienntists measure positions of benchmarks on the surface of the volcano, they also realise that they have also been pushed away from the magma source. Today, permanently installed instruments constantly monitor benchmark positions so that ground motion can be detected within minutes.

Growing and maintaining HVO’s permanent geodetic instrument network is one of the deformation group’s most important jobs. This permanent network consists of over 60 GPS stations and 16 tiltmeters, and data from it are critical for hazard assessment. In particular, tiltmeters, which are incredibly sensitive to changes in ground slope, are often the first indicator of inflation as a volcano pressurizes.

While HVO’s deformation group is responsible for analyzing and interpreting the data, it takes many others to keep the network running. HVO’s field engineers build, install, and maintain the field instruments. Information Technology staff ensure that computers can communicate with remote sites from which data are transmitted and that everything is OK to analyze the data.

Beside the permanent geodetic network, annual campaigns are organised to collect additional benchmark data using temporary GPS stations. Around 80 benchmarks are surveyed each year for 2-3 days to determine yearly changes in position. These surveys provide a higher density of measurements in certain areas, enabling HVO to more precisely determine deformation patterns over many years.

To help interpret the data, geodesists use computer models that calculate the expected motion at the earth’s surface due to expansion or contraction of magma bodies with simplified shapes, such as spheres or ellipsoids. Simple shapes are used because they adequately match the data and are less time-consuming to calculate than irregularly shaped bodies. Time is important because many thousands of calculations are used to test different models.

The best-fitting model shows scientists the most likely place that magma is moving into or out of the volcano, as well as where magma is accumulating and how close it is to the surface. However, no single type of data gives the whole picture of a volcano, so geodetic data needto be interpreted along with geologic, seismic and gas data. HVO’s different teams come together as a whole to develop sound hypotheses for current activity, hazard levels, and future scenarios.

Source : USGS / HVO.

Exemple d’utilisation d’une station GPS temporaire pour mesurer les déformations du Kilauea (Source : USGS / HVO)

Plus d’informations sur l’éruption sous-marine à Mayotte // More information on the submarine eruption at Mayotte

Après une année d’attente, les scientifiques français ont fini par découvrir la cause de la sismicité qui angoissait les Mahorais : un nouveau volcan était en train de naître au fond de l’océan. Le CNRS vient de communiquer des informations sur les dernières recherches, notamment l’analyse des séismes qui a permis de retracer la formation du volcan.

Selon l’étude publiée le 6 janvier 2020 dans la revue Nature Geoscience, les scientifiques parviennent peu à peu à reconstruire les différentes étapes de la formation du volcan et la vidange d’un réservoir magmatique  très profond, localisé à une trentaine de kilomètres sous le niveau de la mer. C’est la plus grande éruption sous-marine enregistrée à ce jour avec un volume émis estimé à 3,4 km3.

Outre les séismes largement ressentis par la population de l’île, des centaines de signaux sismiques d’un type plus rare ont aussi été détectés bien avant la crise, dès janvier 2018, et la plupart à partir de juin 2018. Il s’agit d’ondes monochromatiques (autrement dit des ondes dont les oscillations sont toutes à une seule fréquence, ici 15.5 s), d’une durée de 20 à 30 minutes. Ce sont des signaux très longue période (VLP) généralement associés à la résonance de structures volcaniques. L’énergie générée par les principaux événements VLP est considérable car elle équivaut à l’énergie libérée par un séisme de magnitude M 5. Les ondes de surface ont été détectées partout sur Terre. C’est une observation inédite en sismologie. Ces éléments sont compatibles avec le déplacement de Mayotte vers l’est et son enfoncement dans le plancher océanique.

L’analyse des séismes a ainsi permis de retracer l’histoire de la naissance du volcan, parfaitement illustrée par la coupe ci-dessous, obtenue à l’issue des différentes missions MayObs.

La migration rapide et ascendante de la sismicité en mai-juin 2018 a révélé une propagation du magma depuis environ 30 km de profondeur jusqu’au plancher océanique où la campagne océanique MAYOBS 1 a permis de découvrir la création d’un nouvel édifice volcanique. Une fois le conduit formé, avec un passage permettant au magma d’atteindre la surface, l’éruption a commencé en juin 2018. On a alors observé une diminution de l’activité sismique et un affaissement du réservoir magmatique en profondeur, détecté à l’aide des stations GPS.

À partir de septembre 2018, une autre phase a commencé, avec un regain de sismicité en profondeur et plus proche de Mayotte. Celle-ci était due à la vidange et à l’effondrement du réservoir magmatique entre l’île et le volcan. Le nombre d’événements VLP a également augmenté. D’après l’équipe scientifique, ils constitueraient la manifestation du réservoir magmatique entrant en résonance lors de l’évacuation du magma. Tout au long de la crise, les propriétés de la résonance changent ; c’est probablement le signe d’une modification lente de la géométrie du réservoir qui s’amincit dans un premier temps, avant de se raccourcir sous l’effet de son effondrement, phénomène observé à partir de septembre 2018.

Selon lde CNRS, « l’étude démontre l’intérêt de l’analyse de signaux faibles enregistrés à partir de stations sismiques lointaines pour étudier des épisodes volcano-tectoniques de régions peu instrumentées. »

Source : CNRS, Journal de Mayotte.

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After a year of waiting, French scientists have finally discovered the cause of the seismicity which worried the population in Mayotte: a new volcano was born at the bottom of the ocean. CNRS has just released information on the latest research, in particular the analysis of earthquakes which made it possible to trace the formation of the volcano.
According to the study published on January 6th, 2020 in the journal Nature Geoscience, scientists are gradually  reconstructing the different stages of the formation of the volcano and the drainageof a very deep magmatic reservoir, located about thirty kilometers below the sea ​​level. It is the largest underwater eruption recorded to date with an estimated volume of 3.4 km3.

In addition to the earthquakes widely felt by the population of the island, hundreds of seismic signals of a rarer type were also detected well before the crisis, from January 2018, and mostly from June 2018. These are monochromatic waves (in other words waves whose oscillations are all at a single frequency, here 15.5 s), with a duration of 20 to 30 minutes. These are very long period signals (VLP) generally associated with the resonance of volcanic structures. The energy generated by the main VLP events is considerable because it is equivalent to the energy released by an earthquake with a magnitude M 5. Surface waves have been detected everywhere on Earth. This is an unprecedented observation in seismology.
These elements are compatible with Mayotte’s displacement to the east and its sinking into the ocean floor.
The analysis of the earthquakes thus made it possible to retrace the history of the birth of the volcano, perfectly illustrated by the cross-section below, obtained after the various MayObs missions.
The rapid and upward migration of seismicity in May-June 2018 revealed a spread of magma from about 30 km deep to the ocean floor where the MAYOBS 1 ocean campaign discovered the creation of a new volcanic structure. Once the conduit formed and a passage allowed magma to reach the surface, the eruption began in June 2018. Then, there was a decrease in seismic activity and a subsidence of the magmatic reservoir in depth, detected by GPS stations.

From September 2018, another phase began, with a new start of seismicity in depth and closer to Mayotte. This was due to the drainage and collapse of the magma reservoir between the island and the volcano. The number of VLP events also increased. According to the scientific team, they might be the indication of the magmatic reservoir entering into resonance during the evacuation of magma. Throughout the crisis, the properties of resonance change; it is probably a sign of a slow change in the geometry of the reservoir, which is thinner at first, before becoming shorter due to its collapse, a phenomenon observed from September 2018.

According to CNRS, “the study demonstrates the importance of analyzing weak signals recorded from distant seismic stations to study volcano-tectonic episodes from poorly instrumented regions.”

Source: CNRS, Journal de Mayotte.

 

Nouvelle approche de l’île de la Réunion et son volcan // New approach of Reunion Island and its volcano

Un article paru dans le très sérieux New York Times nous apprend que des scientifiques ont passé plusieurs jours à bord d’un hélicoptère équipé de capteurs spéciaux au-dessus du Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion) pour créer une image montrant la relation entre l’intérieur du volcan et ses fréquentes éruptions. Leurs recherches ont été publiées en décembre dans les Scientific Reports.
Les chercheurs ont utilisé une nouvelle technique pour cartographier 150 kilomètres carrés de la structure interne du Piton de la Fournaise. Leur travail a permis d’obtenir une vue en 3D montrant l’intérieur du volcan, le réseau de fluides hydrothermaux à haute température, ainsi que les nombreuses fractures qui permettent au magma de remonter vers la surface lors des éruptions.
L’intérêt de cette technique sur le Piton de la Fournaise est qu’elle pourrait être déployée ailleurs, que ce soit sur des volcans effusifs comme le Kilauea à Hawaï, ou sur des volcans explosifs comme ceux de la Chaîne des Cascades.

Pour étudier la structure intérieure d’un volcan, on peut utiliser des instruments permettant de mesurer la conductivité des roches. L’eau surchauffée qui circule à l’intérieur de l’édifice est très conductrice. De la même façon, les vieilles roches volcaniques qui ont été dégradée par cette eau ont une structure relativement conductrice. En revanche, les coulées de lave nouvellement refroidies et structurellement homogènes sont beaucoup plus résistantes d’un point de vue électrique.
Déployer des instruments destinés à détecter la résistivité des roches sur un volcan actif n’est pas une tâche facile. Souvent, les expéditions doivent choisir entre une carte souterraine haute résolution d’une petite zone ou une carte basse résolution d’un espace plus grand. Jusqu’à présent, les scientifiques s’étaient déplacés laborieusement à pied pour installer des équipements révélant des parties de la structure interne du volcan. Cette fois, pour aller plus vite, ils ont eu recours à un hélicoptère.

Le BRGM avait déjà effectué une telle mission en 2014. Volant à 50 mètres au-dessus du sol au dessus de l’île de la Réunion pendant quatre jours, l’hélicoptère a déplacé une boucle de 500 kilos qui envoyait des courants électriques de différente intensité pour exciter électriquement les rochers en dessous. Les signaux de retour électromagnétiques envoyés par le volcan ont été détectés par les instruments à bord de l’hélicoptère. Ces signaux de retour varient selon les propriétés des roches, ce qui permet aux scientifiques d’identifier des couches distinctes de l’édifice volcanique jusqu’à une profondeur de 990 mètres. La mission de 2014 a été très positive, notamment en ce qui concerne l’hydrogéologie, la détection des aquifères ou l’interaction entre l’eau de mer et l’eau douce. Voici une vidéo de la mission de 2014:
https://youtu.be/PujUpaekA3Y

Jusqu’à présent, les scientifiques étaient conscients de l’existence de certaines zones de fracture, de failles et de réseaux de fluides à l’intérieur du volcan. Grâce à la mission héliportée de 2019, ils disposent maintenant d’une image 3D encore jamais vue du sous-sol actif du volcan. On y voit très distinctement les secteurs où les conduits magmatiques, les fractures rocheuses et les réseaux hydrothermaux sont en relation les uns avec les autres.
Source: The New York Times.

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An article in the very serious New York Times informs us that scientists spent days aboard a helicopter with special sensors over Piton de la Fournaise (Reunion Island) to develop a picture of how its insides affect its frequent eruptions. Their research was published in December in Scientific Reports.

The researchers used a novel technique to map out 150 square kilometres of Piton de la Fournaise’s internal structure. Their survey revealed a 3D view of the volcano’s interior, from the network of superheated hydrothermal fluids to the numerous faults that allow magma to ascend to the surface during eruptions.

The interest of this technique on Piton de la Fournaise is that it could be deployed elsewhere, whether on volcanoes with effusive eruptions like Hawaii’s Kilauea, or on more explosive ones like in the Cascade Range.

One way to study the inside structure of a volcano is to use instruments to see how well the rocks below conduct electricity. The very high temperature water that circulates is highly conductive. As a consequence, the old volcanic rock that has been degraded by it has a structure which is relatively conductive. On the other hand, newly cooled, structurally homogeneous lava flows are much more electrically resistant.

Deploying electrical resistivity-detecting instruments on an active volcano is not an easy task. Often, expeditions must choose between a high-resolution underground map of a small area or a low-resolution map of a larger space. Scientists had previously worked slowly on foot to deploy equipment revealing parts of its internal structure. This time, to speed things, they resorted to a helicopter.

French BRGM had already performed such a mission in 2014. Flying 50 metres above the ground on Reunion Island over four days, the helicopter’s winch held a 500-kilogram hoop that sent electric currents of different intensity to electrically excite the rocks below. The electromagnetic response coming up from the volcano was detected by the instruments onboard the helicopter. These response signals differed, depending on the properties of the rocks, which allowed scientists to identify individual layers of the volcanic edifice down to a depth of 990 metres. The 2014 mission was very positive, especially in hydrogeology, the detection of the aquifers, or the interaction between seawater and fresh water. Here is a video of the 2014 experiment:

https://youtu.be/PujUpaekA3Y

Scientists were previously aware of the existence of some of the volcano’s rift zones, faults and fluid networks. Thanks to the latest 2019 helicopter mission, they now have a 3D schematic providing an unparalleled image of the volcano’s active subsurface, showing with precision where its magmatic pathways, rocky scars and hydrothermal networks are in relation to each other.

Source: The New York Times

Exemple des images 3D obtenues lors de la mission 2019

 (Source : Marc Dumont, Université de la Sorbonne)

Piton de la Fournaise vu du ciel (Photo: C. Grandpey)