Catégorie : Science

Une nouvelle technique pour essayer de prévoir les éruptions // A new technique to try to predict eruptions

Notre capacité à prévoir les éruptions est encore très faible aujourd’hui. Des progrès ont certes été réalisés au cours des dernières décennies avec de nouveaux instruments performants, mais les centaines de morts causées par les éruptions du Merapi (Indonésie) en 2010 et du Fuego (Guatemala) en 2018 montrent que nous sommes encore très loin de la prévision parfaite.
Une équipe de chercheurs de l’Illinois et du Michigan a testé une nouvelle technique qui, selon eux,  pourrait permettre de prévoir avec précision à quel moment une éruption volcanique se produira. La méthode utilise physique et statistique pour analyser la probabilité de modèles d’éruptions passées. Pour ce faire, les scientifiques ont étudié l’histoire éruptive du volcan Okmok en Alaska.
Un panache de cendre émis lors de l’éruption de l’Okmok en 2008 s’est étiré sur environ 1,6 km dans le ciel et a constitué un danger pour les moteurs d’avion. L’éruption fut une surprise. En effet, après une éruption en 1997, on avait observé des périodes de légère activité dans les années qui ont suivi, mais pratiquement pas de sismicité ou d’autres signes annonciateurs d’une éruption.
Selon les chercheurs, pour développer de meilleures prévisions, il est essentiel de comprendre les éruptions volcaniques qui s’écartent de la norme. Les éruptions sont généralement prévisibles au vu de la sismicité, de l’inflation de l’édifice volcanique et des émissions de gaz, ainsi que d’autres paramètres analysés au cours de la période précédant une éruption. Cependant, l’Okmok ne présentait aucun de ces paramètres.
L’équipe de chercheurs a utilisé le filtrage de Kalman – Ensemble Kalman Filter (EnKF) – une technique d’analyse de données statistiques qui a été améliorée après la Seconde Guerre mondiale. La version utilisée pour l’étude a été mise à jour en 1996 et a continué à être utilisée dans les prévisions météorologiques et climatiques, ainsi que dans l’océanographie physique. L’équipe de chercheurs a été la première à utiliser la méthode en volcanologie, en particulier pour l’étude de l’éruption de l’Okmok.
Les scientifiques ont constaté qu’il n’y avait pas eu d’augmentation de la sismicité avant l’éruption de l’Okmok en 2008. Cela pourrait s’expliquer par le fait que le réservoir magmatique sous le volcan avait conservé la même taille pendant qu’il se remplissait de gaz à haute température et de magma. Cela a entraîné une hausse de pression dans la chambre qui a provoqué le déplacement des roches environnantes, phénomène qui a fini par déclencher des séismes. Lors de l’éruption de 2008, il apparaît que la chambre magmatique s’est agrandie pour s’adapter à l’augmentation de pression, de sorte que l’activité sismique qui aurait dû normalement précéder l’éruption n’a pas eu lieu et n’a donc pas pu être détectée.
En regardant dans le passé grâce aux nouveaux modèles, les scientifiques ont pu constater que des contraintes s’étaient accumulées pendant des semaines dans les roches autour de la chambre magmatique et la croissance du système magmatique avait finalement entraîné sa rupture et l’éruption volcanique. La modélisation en amont et en aval a permis aux chercheurs d’observer l’évolution du système volcanique. Ils ont été en mesure de faire évoluer le nouveau modèle dans le temps et de prévoir le comportement éruptif de l’Okmok.
Cependant, l’équipe scientifique a ajouté que chaque volcan était différent et qu’un modèle spécifique devrait être élaboré  pour chacun d’eux.

Source: American Geophysical Union (AGU) – Geophysical Research Letters / The Watchers.

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Our capacity to predict eruptions is still very low today. Progress has been made in the past decades with new effective instruments but the hundreds of deaths caused by the eruptions of Mt Merapi (Indonesia) in 2010 and Mt Fuego (Guatemala) in 2018 show that we are still very far from the perfect prediction.

A research team from Illinois and Michigan has tested a new technique that could possibly forecast how a volcanic eruption will happen accurately. The method combined physics and statistics to capture the probability of past eruption patterns. The scientists studied the history of the eruption of the Okmok Volcano in Alaska.

An ash plume from the eruption of Okmok in 2008 extended about 1.6 km into the sky and posed a hazard to aircraft engines. The eruption came a a surprise. Indeed, after an eruption in 1997, there were periods of slight unrest, but very little seismicity or other eruption precursors.

According to the researchers, in order to develop better forecasting, it is crucial to understand volcanic eruptions that deviate from the norm. Eruptions are commonly predicted by studying seismicity, inflation of the volcanic edifice and gas emissions, and other established parameters analused during the period that precedes an eruption. However, Okmok did not display any of the patterns.

The research team used a statistical data analysis technique called Ensemble Kalman Filter (EnKF) or Kalman filtering, which was improved after World War II. The version used for the study was updated in 1996 and has continued to be used in weather and climate forecasting, as well as physical oceanography. The research team was the first group to use the updated method in volcanology, especially for Okmok’s eruption study.

The researchers noticed there was a lack of increased seismicity before the eruption. A hypothesis explains that the reservoir under the volcano remained the same size as it filled with hot gases and magma. This resulted in pressure in the chamber that triggered surrounding rocks to move, eventually leading to earthquakes. In the 2008 eruption, it appears that the magma chamber grew larger to accommodate the increasing pressure, so that the precursor seismic activity could not be detected.

By looking back in time with the new models, the scientists could observe that stress had been building up in the rocks around the chamber for weeks, and the growth of the magma system ultimately led to its failure and eruption. The backward and forward modelling enabled researchers to observe the evolution of the volcanic system. They were also able to propagate the new model forward in time and predict Okmok’s eruptive behaviour afterward.

However, the scientific team added that since every volcano is different, a model must be specifically made for each of them.

Source: American Geophysical Union (AGU) – Geophysical Research Letters / The Watchers.

Vue du cratère de l’Okmok le 15 septembre 2008 (Crédit photo : Alaska Volcano Observatory)

Californie : Inquiétude autour de la Faille de Garlock // California: Concern over the Garlock Fault

Quand on parle des failles qui cisaillent la Californie, on pense avant tout à celle de San Andreas qui est capable de déclencher un puissant séisme, comme celui qui a détruit San Francisco en 1906 et tué 3000 personnes. Toutefois, la San Andreas Fault n’est pas la seule à menacer la région.

Les scientifiques californiens du Jet Propulsion Laboratory de la NASA ont détecté il y a quelques jours des mouvements de la faille de Garlock. Longue de 250 km, elle s’étire le long de la bordure septentrionale du Mojave Desert, dans le sud de l’Etat. Les données fournies par les sismomètres et les images satellitaires ont révélé un soulèvement du sol visible depuis l’espace.

La faille de Garlock ne s’était pas manifestée depuis 500 ans et son comportement récent  pourrait être annonciateur d’un puissant séisme. Une étude publiée dans la revue Science alerte sur le mouvement de cette grande faille tectonique car elle a bougé de plusieurs centimètres en un an et de deux centimètres depuis le mois de juillet 2019. Ce réveil semble avoir été provoqué par des séismes enregistrés ces derniers mois à proximité de la ville de Ridgecrest. Certains d’entre eux ont atteint la magnitude M 7,1 et on redoute un séisme de M 8.0. On se souvient qu’un événement d’une telle magnitude a secoué la ville de Mexico en 1985 et causé de très graves dégâts.

Les sismologues savent que les mouvements des failles californiennes sont interdépendants. Ainsi, la faille de Garlock croise la faille de San Andreas qui s’étend sur plus de 1.300 km et passe notamment par San Francisco et Los Angeles. Un séisme provoqué par la faille de Garlock aurait des conséquences désastreuses sur l’agriculture, l’extraction pétrolière et les bases militaires de la région.

Les dernières observations concernant la faille de Garlock mettent à mal la théorie selon laquelle des séismes mineurs, en libérant de l’énergie, empêchent un séisme majeur de se produire. Dans le cas de la faille de Garlock, c’est plutôt le contraire qui risque de se produire : des séismes locaux peuvent perturber la faille et induire des mouvements de cette dernière, avec le risque d’un puissant séisme.

Source : NASA, presse californienne.

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When we talk about the California shearing faults, we think of San Andreas, which is capable of triggering a powerful earthquake, like the one that destroyed San Francisco in 1906 and killed 3000 people. However, the San Andreas Fault is not the only one to threaten the region.
A fewgo, Californian scientists at NASA’s Jet Propulsion Laboratory detected movements of the Garlock Fault. 250 km long, it stretches along the northern edge of the Mojave Desert, in the south of the State. The data provided by the seismometers and the satellite images revealed a bulge of the ground, visible from space.
The Garlock Fault had not been active for 500 years and its recent behaviour could be a harbinger of a powerful earthquake. A study published in the journal Science alerts to the movement of this great tectonic fault because it has moved several centimetres in one year and two centimetres since July 2019. This new activity seems to have been caused by earthquakes recorded in recent months near the city of Ridgecrest. Some of them reached the magnitude M 7.1 and scientists fear an M 8.0 earthquake. One should remember that an event of such magnitude shook Mexico City in 1985 and caused very serious damage.
Seismologists know that the movements of California faults are interdependent. For example, the Garlock Fault crosses the San Andreas Fault that stretches for more than 1,300 km, including San Francisco and Los Angeles. An earthquake caused by the Garlock Fault would have disastrous consequences for agriculture, oil industry and military bases in the region.
The latest observations about the Garlock Fault undermine the theory that minor earthquakes, by releasing energy, prevent a major earthquake from occurring. In the case of the Garlock Fault, the opposite is likely to happen: local earthquakes can disrupt the fault and induce motions of the latter, with the risk of a powerful earthquake.
Source: NASA, California Press.

Vue de la faille de Garlock proposée par la NASA d’après des images satellite. La faille, qui marque la limite nord-ouest du Mojave Desert, se situe au pied des montagnes. Elle part du coin inférieur droit et se dirige vers la partie centrale cette image.

Collaboration entre observatoires aux Etats-Unis // Collaboration between observatories in the United States

Les observatoires volcanologiques à travers les États-Unis fonctionnent en étroite relation les uns avec les autres pour assurer une surveillance efficace des volcans actifs de ce pays. Cette collaboration est particulièrement évidente lors d’une crise, comme ce fut le cas au moment de l’éruption du Kilauea en 2018. Cette année-là, des scientifiques, des ingénieurs et des administratifs du Volcano Science Center de l’USGS se sont rendus sur la Grande Ile d’Hawaï pour épauler le HVO, l’observatoire des volcans d’Hawaï, et aider les volcanologues locaux à surveiller les coulées de lave et les effondrements qui se produisaient au sommet du Kilauea. Leur aide fut essentielle au bon fonctionnement du HVO 24 heures sur 24, 7 jours sur 7.
La collaboration entre les observatoires volcanologiques existe également quand il n’y a pas de crise éruptive majeure. Certains observatoires tels que l’Alaska Volcano Observatory (AVO) doivent effectuer toutes les missions sur le terrain en été car les conditions météorologiques sont difficiles et les conditions de travail dangereuses le reste de l’année. Comme la saison estivale est courte en Alaska, il est important de faire appel à l’aide temporaire d’autres États.
L’AVO a beaucoup de travail à effectuer au cours de la saison estivale. Le soleil est presque en permanence dans le ciel et les heures de clarté sont pleinement utilisées lorsque le temps le permet. L’aide d’autres observatoires permet aux équipes de terrain d’être renouvelées tous les mois afin d’éviter l’épuisement professionnel.

Comme il y a peu à faire en ce moment à Hawaii depuis la fin de l’éruption du Kilauea, plusieurs géologues du HVO se sont rendus en Alaska cet été pour aider à la mise en place de nouveaux sites de surveillance sismique et la mise à niveau d’instruments plus anciens sur les volcans des Aléoutiennes. Cela fait partie d’une campagne entreprise par l’AVO pour convertir l’ensemble de son réseau sismique analogique en un réseau entièrement numérique. Un tel travail est important car les instruments numériques peuvent détecter une gamme plus large de signaux sismiques. Le HVO est passé à un réseau numérique de 2014 à 2017.
Dans les Aléoutiennes, la mission a débuté à Adak, une île située à environ 1 700 kilomètres au sud-ouest d’Anchorage. L’île, qui abritait une base militaire de 1942 à 1997, est très paisible maintenant que la plupart des installations ont été abandonnées. Adak a servi de base aux opérations scientifiques. En effet, c’est un point central où les stations les plus éloignées sont raccordées au réseau de surveillance des volcans de l’Alaska.
A partir d’Adak, les scientifiques ont voyagé à bord d’un navire de recherche qui les a conduits à travers la Mer de Béring afin de visiter différents volcans. Une fois un volcan atteint, le capitaine jetait l’ancre dans un port bien protégé des tempêtes parfois très violentes qui surviennent dans les Aléoutiennes. À partir de là, les scientifiques ont pris l’hélicoptère embarqué sur le navire pour visiter les différents sites.
Les conditions météorologiques sont souvent difficiles dans les Aléoutiennes, ce qui rend la surveillance des volcans d’autant plus délicate. Un scientifique explique qu’il y avait un épais brouillard presque tous les matins. À chaque fois que le pilote de l’hélicoptère estimait qu’une fenêtre était utilisable, les hommes chargeaient le matériel et décollaient.
Une fois sur un volcan, les scientifiques se mettaient au travail. Il fallait d’abord installer un local de protection du matériel et creuser un trou de 2 mètres de profondeur pour y loger le sismomètre. Des panneaux solaires étaient ensuite installés sur le local avec à l’intérieur 15 batteries de 12 volts pour alimenter l’électronique qui numérise les signaux du sismomètre et envoie les données à Adak par radio. Le travail a toujours été une course contre le soleil, tout en luttant contre les conditions météorologiques en constante évolution.
Les hommes expliquent que le travail fut difficile mais enrichissant. La cohabitation permanente, l’élaboration de stratégies pour faire face aux éléments et le travail en équipe sur un volcan loin de tout ont permis de créer des liens solides entre le HVO et l’AVO. Cet état d’esprit se prolongera bien au-delà du travail sur le terrain dans les îles Aléoutiennes.
Source: USGS / HVO.

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Volcano observatories across the United States work together to ensure efficient and thorough monitoring of the nation’s active volcanoes. This collaboration is particularly evident during a crisis, like the 2018 eruption of Kilauea Volcano. In 2018, scientists, field engineers, and administrative professionals from across the US Geological Survey Volcano Science Center came to the Island of Hawaii to assist the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) in monitoring Kilauea’s Lower East Rift Zone (LERZ) lava flows and summit collapses. Their assistance was critical to maintaining HVO’s 24/7 response capability.

Collaboration between volcano observatories also occurs in non-crisis times. Some volcano observatories, such as the Alaska Volcano Observatory (AVO) must accomplish all field work in the summer because other times of the year can bring harsh weather and dangerous working conditions. Since the summer field season in Alaska is short, it is important to use temporary help from other states.

The field season for AVO staff is intense. The sun is almost always up, and the daylight hours are fully used when weather permits. Help from other volcano observatories allows field teams to be rotated every month to avoid burn-out.

As there is little to do in Hawaii with the end of the Kilauea eruption, several HVO staff travelled to Alaska this summer to help build new, and upgrade old, seismic monitoring sites on western Aleutian volcanoes. This is part of a big step that AVO is taking to convert their entire seismic network from an analog to an all-digital network. This is important because digital instruments can detect a wider range of earthquake signals. HVO made the transition to a digital network in 2014 to 2017.

The mission began on Adak, an island about 1,700 kilometres SW from Anchorage. The island, home to a military base from 1942 to 1997, is very peaceful now that most of the facilities have been abandoned. Adak was the base of operations, a central place where more-remote field stations tie into the Alaska volcano monitoring network.

From Adak, the scientists boarded a research vessel which took them across the Bering Sea in order to visit different volcanoes. Once the targeted volcano was reached, the captain dropped anchor in a harbour that would be mostly protected from potentially fierce Aleutian storms. From there, the scientists flew in the onboard helicopter to go back and forth from the ship to the different field sites.

Weather conditions are often difficult in the Aleutians, which makes the monitoring of the volcanoes all the more difficult. The scientific team explains that they were shrouded in fog nearly every morning. Whenever the helicopter pilot deemed that a safe window of opportunity had arrived, they loaded up and took off.

Once the geologists landed on a volcano, the real work began. They dug a foundation for the equipment hut and a 2-metre-deep hole where the seismometer would reside. Solar panels were mounted on the hut, which housed 15 12-volt batteries to power the electronics that digitizes signals from the seismometer and sends data back to Adak via radio. The work was always a race against the sun, while battling the ever-changing weather conditions.

The men explain that the work was difficult but rewarding. Living in close quarters, continuously strategizing to overcome the elements, and working as a team on a remote volcano, led to a bond between HVO and AVO that will last beyond the Aleutian field work.

Source : USGS / HVO.

Le Cleveland, le Semisopochnoi  ou le Veniaminof comptent parmi les volcans les plus actifs des Aléoutiennes, sans oublier l’Augustine… (Photos : AVO et C. Grandpey)

Exploration sous-marine de la côte sud d’Hawaii // Submarine exploration of the southern coast of Hawaii

Alors que les scientifiques français se plaignaient du manque de moyens pour explorer le volcan sous-marin au large des côtes de Mayotte, des chercheurs américains se trouvaient à bord du navire de recherche Rainier de la NOAA pour explorer la côte sud de la Grand Ile d’Hawaii. Ils ont pu observer et analyser les conséquences de l’arrivée de la lave dans l’océan lors de l’éruption du Kilauea en 2018. Le Rainier fait partie d’une flotte dont la mission est d’étudie la bathymétrie des eaux côtières autour des États-Unis. Les relevés permettent de mettre à jour les cartes marines et divers documents numériques destinés au commerce et au transport maritime, ainsi qu’à la sécurité de la navigation. Le navire mesure également diverses propriétés de l’eau de mer. Les missions du Rainier s’effectuent principalement en Alaska, mais les conséquences de l’éruption de 2018 l’ont conduit à Hawaii. Cette mission a été l’occasion d’observer les deltas de lave formés pendant l’éruption dans la Lower East Rift Zone.

La principale mission de la NOAA étant de maintenir à jour les cartes marines, la côte de Puna au SE de la Grande Ile méritait d’être analysée en raison des changements survenus en 2018. Cependant, l’intérêt de la mission dépasse l’hydrographie. L’observation des pentes sous-marines permet aux volcanologues du HVO à mieux comprendre les processus qui affectent la stabilité du delta de lave nouvellement formé dans la baie de Kapoho, ainsi que d’autres dangers le long du nouveau littoral.
Une étude réalisée en août 2018 par le navire de recherche Nautilus exploité par l’Ocean Exploration Trust, avait déjà fourni une base de référence permettant d’identifier les changements bathymétriques survenus au cours de l’année écoulée.
À l’instar du Nautilus, le Rainier a analysé la bathymétrie à l’aide d’un sondeur multi-faisceau (SONAR) monté sur sa coque. Ce système envoie les ondes acoustiques perpendiculairement à la longueur du navire. Le principe est simple : Les ondes sont envoyées vers le fond de l’océan et remontent vers le navire où un récepteur mesure le temps écoulé. La collecte de millions de mesures de distance permet de construire un DEM (Digital Elevation Model) modèle numérique du relief sous-marin. En comparant le nouveau DEM du Rainier à celui obtenu l’année dernière avec le Nautilus, les volcanologues sont en mesure de voir quelles parties du delta de lave sous-marin sont les plus fragiles, et donc susceptibles de s’affaisser ou de s’effondrer. Par ailleurs, la comparaison d’images satellite récentes avec les cartes des coulées de lave de 2018 révèle que certaines des nouvelles côtes ont déjà reculé de plusieurs dizaines de mètres. Des changements similaires pourraient donc se produire sous la surface de l’océan.
Le traitement et la publication du nouvel ensemble de données prendront un certain temps. Cependant, alors que le Rainier était ancré au large des côtes hawaiennes, les volcanologues du HVO ont pu monter à bord et  repérer des détails intéressants au niveau du littoral submergé le long des deltas de 2018, y compris un chenal de lave, aujourd’hui inactif. Des discussions avec l’équipage du navire ont permis d’identifier plusieurs zones intéressantes pour y effectuer des investigations bathymétriques.
Source: USGS.

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While French scientists were complaining about the lack of means for the exploration of the submarine volcano off the coasts of Mayotte, Americans researchers were on board the NOAA research ship Rainier to explore the southern coast of Hawaii Big island. They could observe and analyse the consequences of the arrival of lava in the ocean during the 2018 Kilauea eruption. The Rainier is part of a fleet that surveys the bathymetry of coastal waters around the United States. The surveys are used to update nautical charts and various digital products in support of marine commerce and transportation, as well as navigation safety. The ship also measures various properties of the ocean water. The Rainier works primarily in Alaska, but the aftermath of the 2018 eruption brought it to Hawai‘i. The journey provided a special opportunity to re-survey the lava deltas formed during the Lower East Rift Zone eruption.

Because NOAA’s core mission is to maintain up-to-date nautical charts, the Puna coast became an important objective given the changes that occurred there in 2018. However, interest in the data goes beyond hydrography. Views of the submarine slopes help HVO volcanologists to better understand ongoing processes that affect the stability of the newly-formed lava delta in Kapoho Bay, along with other hazards along the new coastline.

An August 2018 survey by the Exploration Vessel Nautilus, operated by the Ocean Exploration Trust, provides a baseline to identify bathymetric changes over the past year.

The Rainier, like the Nautilus, surveys bathymetry using a multibeam echosounder (SONAR) mounted to its hull. This system transmits acoustic waves in a fan along the beam of the ship, perpendicular to the ship’s length. As these waves reflect off the ocean floor and back to the ship, a highly-sensitive receiver measures the time that has passed.

Collecting millions of distance measurements allows for the construction of a submarine Digital Elevation Model (DEM). By comparing the new DEM from the Rainier with last year’s DEM from the Nautilus, it will be possible for volcanologists to see which parts of the submarine lava delta are subsiding. Comparisons of recent satellite images with 2018 lava flow maps have suggested that some of the new coastline has already retreated by tens of metres, so similar changes might be expected below the waves.

Full processing and publication of the new dataset will take some time. However, while the Rainier was anchored offshore, HVO’s volcanologists came on board and could spot various submarine features along the 2018 deltas, including a possible lava channel, now inactive. Discussions with the ship’s crew identified several target areas for further bathymetric investigation.

Source : USGS.

L’arrivé de la lave fragilise le littoral hawaiien (Photo: C. Grandpey)