Catégorie : Science

Une histoire de répliques // A story of aftershocks

Le 4 mai 2018, un puissant séisme de M 6,9 sur le flanc sud du Kilauea a secoué la Grande Ile d’Hawaii. C’est l’événement sismique le plus significatif enregistré à Hawaii depuis 43 ans. Aujourd’hui, plus de cinq mois plus tard, des séismes de magnitude moindre se produisent toujours dans le même secteur.
Pour mieux comprendre cette situation, il convient de garder à l’esprit que la plupart des séismes sont provoqués par le glissement ou le décrochement de morceaux de l’écorce terrestre le long d’un plan de failles. La surface et la distance de glissement sont à mettre en relation directe avec la libération d’énergie (autrement dit la magnitude) du séisme.
Le glissement ou le décrochement n’est pas uniforme lors d’un séisme majeur; en effet, certains éléments du morceau de plaque concerné bougent plus que d’autres, et certains ne bougent pas du tout. Cette inégalité de déplacement dans la croûte terrestre impose des contraintes plus importantes aux éléments de plaque qui ne se sont pas déplacés.
Au fur et à mesure que la croûte se réajuste avec le temps, ces contraintes plus importantes donnent naissance à de petits séismes baptisés «répliques», qui se produisent sur les plaques de faille adjacentes. On peut parfois avoir un effet d’avalanche jusqu’à l’atténuation des tensions provoquées par le séisme principal. En règle générale, les séismes principaux les plus importants entraînent des périodes de répliques plus importantes, plus nombreuses et plus longues. Les séquences de répliques peuvent durer de plusieurs jours à plusieurs siècles. Les secousses qui surviennent après un séisme majeur ne sont pas forcément moins puissantes. Statistiquement, il y a environ 5% de chances qu’un séisme plus puissant se produise dans la journée qui suit un séisme majeur. Si cela se produit, le séisme le plus important devient le séisme principal et le précédent est baptisé séisme précurseur
Pendant les périodes d’activité sismique intense, il n’y a aucun moyen de prévoir quel événement sera le séisme principal et quels autres événements seront des répliques. Ce classement est établi rétrospectivement.
Avant le début de l’éruption du Kilauea le 3 mai 2018 dans les Leilani Estates, le magma a migré et s’est frayé un chemin le long de l’East Rift Zone du volcan. Ce comportement du magma a exercé une pression sur le flanc sud et provoqué un glissement le long de la faille basale de l’île. Cela a provoqué des milliers séismes près de la côte et plus au large, dans l’Océan Pacifique.
La séquence d’événements sismiques la plus importante a débuté le 3 mai par un séisme de M 5.1 à 10 h 30 (heure locale). Le lendemain, à 11h32 le 4 mai, un événement de M 5,4 est devenu le séisme principal. Une heure plus tard, à 12h32, le véritable séisme principal de la séquence se produisit : Il s’agissait d’un séisme de M 6,9 qui a secoué l’île avec suffisamment d’intensité pour faire tomber des objets des étagères dans les magasins de Hilo. Il a également été ressenti dans tout l’État d’Hawaii et a provoqué un petit tsunami le long des côtes voisines.
La première réplique significative a eu lieu plus tard dans la journée, avec un séisme de M 5.3 enregistré à 15h37 (heure locale). Jusqu’à présent, 15 répliques de M 4.0 et plus, ainsi que des milliers d’événements de moindre intensité, ont eu lieu dans la séquence. La répartition de ces séismes sur une carte révèle une zone qui s’étend jusqu’au large des côtes sur environ 800 kilomètres carrés. On peut en déduire qu’il s’agit de l’ensemble de la zone de faille qui s’est rompue au cours de la séquence.
La relation statistique entre l’activité des répliques et le temps écoulé a été formulée pour la première fois par le sismologue Fusakichi Omori en 1894. Dans ce qu’on appelle maintenant la loi d’Omori, la formule donne une relation inverse entre la probabilité de répliques et le temps écoulé. En d’autres termes, plus le temps écoulé depuis le choc principal est long, moins il est probable qu’une réplique se produise. La formule d’Omori donne des informations sur le risque sismique en fonction des répliques. Dans le cas du séisme M 6.9 de 2018, la loi d’Omori prévoit une fréquence décroissante des répliques dans la région au cours de la prochaine année ou plus, y compris une faible probabilité de séisme de M 6.0 au cours de cette période.
Source: USGS / HVO.

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On May 4th, 2018, a powerful M 6.9 earthquake on the south flank of Kilauea Volcano shook Hawaii Big Island. It was the largest seismic event in Hawaii in 43 years. Today, more than five months later, smaller-magnitude earthquakes are still occurring in the same area.

To better understand this situation, one should bear in mind that most earthquakes are caused by patches of rock slipping along a fault plane within the Earth’s crust. The area and the distance of slip relate directly to the energy release (i.e. magnitude) of the earthquake.

Slip is not uniform during a major earthquake ; some patches move more than others, and some do not move at all. This unevenness in motion within the Earth’s crust puts higher stresses on the patches that did not move than on the ones that did.

As the crust readjusts with time, these higher stresses give way to smaller earthquakes, or “aftershocks,”that occur on adjacent fault patches. The effect can cascade in avalanche-like fashion until the stresses caused by the major earthquake – also called « mainshocks » – even out. Generally, larger mainshocks produce larger, more numerous, and longer periods of aftershock activity. Aftershock sequences can last from days to centuries. Not all earthquakes that happen after a major earthquake are smaller. Statistically, there is about a 5 percent chance that a larger earthquake will occur within a day after a major earthquake. If that happens, the larger earthquake gets labelled as the “mainshock,” and the previous one is instead labelled a “foreshock.”

During periods of intense seismic activity, there is no way to predict which earthquakes will be foreshocks, the mainshock, and aftershocks. These labels are applied retrospectively.

Prior to the 2018 Kilauea eruption that started in Leilani Estates on May 3rd, migrating magma pushed through the East Rift Zone of the volcano. This compressed the south flank and caused slip along the island’s basal fault, resulting in thousands of earthquakes near the coast and offshore.

The sequence of larger events started with an M 5.1 earthquake at 10:30 a.m. (local time) on May 3rd. A day later, at 11:32 a.m. on May 4th, an M 5.4 earthquake then claimed the titled as mainshock. One hour later, at 12:32 p.m., the eventual mainshock of the sequence occurred ; i twas the M 6.9 earthquake that rattled the island with enough intensity to knock items off the shelves in Hilo stores. It was also felt statewide and produced a modest tsunami along nearby coastlines.

The first large aftershock occurred later that day; it was an M 5.3 earthquake at 3:37 p.m. (local time). So far, 15 aftershocks of M 4.0 and higher, along with thousands of smaller events, have occurred in the sequence. Plotting these earthquakes on a map reveals an area that extends offshore and spans about 800 square kilometres. We can infer this as the total fault area that ruptured during the sequence.

The statistical relationship between aftershock activity and time was first formulated by seismologist Fusakichi Omori in 1894. In what is now known as Omori’s Law, the formula gives an inverse relationship between the probability of aftershocks and time. In other words, the longer the time since the mainshock, the less likely it is that an aftershock will occur. Omori’s formula helps inform aftershock seismic hazard assessment. In the case of the 2018 M 6.9 earthquake, Omori’s Law forecasts a decreasing frequency of aftershocks continuing in the area over the next year or more, including a small chance of a M 6.0 earthquake during that time.

Source: USGS / HVO.

Cette illustration présente la zone de rupture présumée (ligne pointillée blanche) du séisme de M 6,9 du 4 mai 2018, avec les événements précurseurs et les 10 premières journées de répliques. Cette zone présente une superficie d’environ 800 km2. La taille des cercles fait référence à la magnitude des séismes; la couleur indique leur profondeur. Les magnitudes des événements les plus significatifs sont indiquées. Le graphique en médaillon montre la réduction des répliques du 4 au 15 mai 2018. (Source : USGS / HVO).

Un projet fou pour l’Antarctique // Crazy project for Antarctica

La banquise fond, que ce soit dans l’Arctique ou l’Antarctique, à cause du réchauffement climatique. On associe inévitablement le phénomène à l’élévation du niveau des océans. Ce qui inquiète les scientifiques, ce ne sont pas les icebergs qui flottent à la surface de l’océan comme les glaçons dans un verre et ne contribuent pas à la hausse du niveau des mers. En revanche, la situation des plateformes glaciaires est plus inquiétante, car elles sont rongées par en dessous par les remontées d’eau chaude.

Afin d’essayer de lutter contre ce phénomène, une équipe de chercheurs a proposé un plan complètement fou visant à limiter la fonte des glaciers de l’Antarctique et du Groenland. L’idée, qui se présente aujourd’hui comme “le plus grand projet de génie civil de l’histoire de l’humanité” serait de construire une structure de soutien directement sous les glaciers pour les empêcher de s’effondrer. Selon l’article paru dans la revue Cryosphere,  ce type «d’intervention sur la calotte glaciaire d’aujourd’hui serait à la limite des capacités humaines. Les chercheurs font toutefois remarquer qu’il y a «suffisamment de glace empilée sur l’Antarctique pour élever les mers du globe de près de 60 mètres».

Pour leur étude, les chercheurs se sont concentrés sur le Glacier Thwaites, l’un des plus imposants de l’Antarctique, mais aussi l’un des plus fragiles. À lui seul, il a le potentiel d’augmenter le niveau de la mer d’environ trois mètres.

Deux méthodes sont proposées. La première consiste à soutenir le glacier avec une série de monticules sur environ 300 mètres, par-dessous. Dans ce cas, les eaux plus chaudes pourraient encore venir se frotter au glacier, mais cette structure aurait au moins la capacité de l’empêcher de s’effondrer. Avec cette méthode, les chercheurs estiment qu’il y a 30% de chance que le glacier ne s’effondre pas au cours des 1000 prochaines années.

La seconde approche est plus compliquée. Elle consiste à construire un mur sous le glacier, ce qui empêcherait l’eau chaude venue des bas-fonds de se frotter à la glace. Les chances de réussite sont ici estimées à 70%, toujours pour les 1000 prochaines années.

Les idées proposées sont en théorie potentiellement faisables sur le plan technique, en sachant que leur mise en oeuvre serait difficile à cause des conditions climatiques et induirait forcément une pollution de l’environnement. De plus, les deux méthodes, aussi bonnes soient les intentions, reviendraient à mettre un pansement sur une jambe de bois. Elles ne régleront pas le problème du réchauffement climatique. La vraie solution ne réside pas de ce genre de projet loufoque. Elle consiste à s’attaquer directement à la source du problème, à la cause du réchauffement climatique en limitant les émissions de gaz à effet de serre, mais nos gouvernements semblent encore bien frileux et de véritables mesures d’envergure n’ont pas été prises. .

Source : SciencePost, The Cryosphere.

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The sea ice is melting, whether in Arctic or Antarctic, because of global warming. The phenomenon is inevitably associated with rising sea levels. What worries scientists is not the icebergs that float on the ocean’s surface like ice cubes in a glass and do not contribute to rising sea levels. What worries them is the situation of the ice shelves because they are gnawed from below by the upwelling of warm water.
In an attempt to combat this phenomenon, a team of researchers proposed a completely crazy plan to limit the melting of glaciers in Antarctica and Greenland. The idea, which is supposed to be « the greatest civil engineering project in the history of humanity » would be to build a support structure directly under the glaciers to prevent them from collapsing. According to the article in the journal Cryosphere, this type of « intervention on the icecap would be at the limit of today’s human capabilities. The researchers note, however, that there is « enough ice piled up on the Antarctic continent to raise the seas by as much as 60 metres. »
For their study, the researchers focused on the Thwaites Glacier, one of the largest in Antarctica, but also one of the most fragile. On its own, it has the potential to raise the sea level by about three metres.

Two methods are proposed. The first is to support the glacier with a series of mounds about 300 metres below. In this case, the warmer waters could still come to erode the glacier, but this structure would at least have the capacity to prevent it from collapsing. With this method, researchers estimate that there is a 30% chance that the glacier will not collapse over the next 1000 years.
The second approach is more complicated. It consists in building a wall under the glacier, which would prevent the warm water coming from the shallows from rubbing the ice. The chances of success are here estimated at 70%, still for the next 1000 years.
The proposed ideas are in theory potentially technically feasible, knowing that their implementation would be difficult because of weather conditions and would necessarily lead to environmental pollution. Moreover, the two methods, even though the intentions are good, would be like putting a bandage on a wooden leg. They will not solve the problem of global warming. The real solution does not lie with this kind of crazy project. The problem should be addressed directly at the source, namely by limiting greenhouse gas emissions. But our governments still seem reluctant to take real, far-reaching measures. . .
Source: SciencePost, The Cryosphere.

Source: The Cryosphere.

L’éruption sous-marine la plus profonde jamais observée sur Terre // The deepest known undersea eruption en Earth

Une équipe de chercheurs issus de plusieurs universités américaine, canadienne et allemande a effectué une étude sur une récente éruption volcanique sur le bassin arrière-arc des Mariannes dans le Pacifique occidental, à environ 4480 mètres sous la surface de l’océan, ce qui en fait l’éruption la plus profonde jamais observée à ce jour. À titre de comparaison, cette profondeur sous la surface de l’océan est supérieure à la hauteur du Mont Rainier au-dessus du niveau de la mer.
L’éruption a été découverte par des chercheurs qui exploraient de nouveaux sites hydrothermaux dans un secteur où la plaque tectonique Pacifique glisse sous la plaque Philippine dans le processus bien connu de subduction qui donne naissance à la Fosse des Mariannes et l’arc volcanique actif composé de neuf îles et de plus de 60 volcans sous-marins. Le bassin arrière-arc des Mariannes est une zone d’extension du plancher océanique et de volcanisme actif dans la partie supérieure de la plaque derrière l’arc volcanique. Les résultats de l’étude ont été publiés dans un numéro spécial de Frontiers in Earth Science.
Grâce à des technologies de pointe et de nouvelles méthodes d’exploration, les scientifiques ont détecté au cours des 30 dernières années des preuves d’une quarantaine d’éruptions sous-marines. Avant 1990, aucune éruption n’avait été observée. L’éruption d’arrière-arc des Mariannes a été découverte pour la première fois en décembre 2015 par des caméras à bord d’un véhicule autonome appelé Sentry. Les photos ont révélé la présence d’une coulée de lave intacte, sombre et vitreuse, sur le fond de l’océan, sans couverture de sédiments. Les fluides hydrothermaux de couleur laiteuse qui s’en échappaient prouvaient que la coulée était encore chaude et donc très jeune.
Les données bathymétriques récemment recueillies indiquent d’importants changements de profondeur dans la zone entre les relevés de 2013 et 2015, signe qu’une éruption s’est produite. La nouvelle coulée de lave présente une longueur d’environ 7,2 kilomètres et une épaisseur variant entre 40 et 135 mètres.
Les scientifiques sont revenus sur le site en avril et en décembre 2016 et ont utilisé les véhicules télécommandés Deep Discoverer et SuBastian lors de plusieurs expéditions. Les nouvelles observations ont montré un système hydrothermal en déclin rapide sur les coulées de lave, signe que l’éruption a eu lieu seulement quelques mois avant sa découverte l’année précédente.
La dernière étude est importante. En effet, les volcans sous-marins peuvent aider à expliquer le fonctionnement des volcans terrestres et leur impact sur la chimie des océans, ce qui peut avoir une incidence importante sur les écosystèmes locaux.
Source: Oregon State University.

A team of researchers from U.S, Canadian and German universities has documented a recent volcanic eruption on the Mariana back-arc in the western Pacific Ocean, about 4480 metres below the ocean surface, making it the deepest known eruption on Earth. As a comparison, this is deeper below the ocean surface than Mount Rainier’s height above sea level.
The eruption was discovered by researchers searching for new hydrothermal vent sites where the Pacific tectonic plate subducts beneath the Philippine Sea plate, forming the Mariana trench and the active volcano arc, which is made up of nine islands and more than 60 seamounts. The Mariana back-arc is a zone of seafloor spreading and active volcanism in the upper plate behind the volcanic arc. Results of the research were published in a special issue of Frontiers in Earth Science.
Thanks to new technologies and new exploration methods, in the last 30 years scientists have detected evidence of about 40 undersea eruptions. Before 1990, there were zero. The Mariana back-arc eruption was first discovered in December 2015 by cameras aboard an autonomous underwater vehicle called Sentry. Photos revealed the presence of a pristine dark, glassy lava flow on the seafloor with no sediment cover. Venting of milky hydrothermal vent fluid indicated that the lava flow was still warm, and therefore very young.
Newly collected bathymetric data indicated major depth changes in the area between surveys in 2013 and 2015, consistent with an eruption. The new lava flows stretched over an area about 7.2 kilometres long and ranged in thickness between 40 and 135 metres.
The scientists returned to the site in April and December of 2016 and used remotely operated vehicles Deep Discoverer and SuBastian during several expeditions. The new observations showed a rapidly declining hydrothermal system on the lava flows, suggesting the eruption had taken place only months before its discovery the previous year.
The research is important for several reasons. Undersea volcanoes can help inform about how terrestrial volcanoes work and how they impact ocean chemistry, which can significantly affect local ecosystems.
Source: Oregon Sate University.

Vue du Deep Discoverer utilisé pendant la mission (Crédit photo : Oregon State University)

La hausse des émissions de CO2 liées à l’énergie en 2018 // Increase of energy-related CO2 emissions in 2018

Un rapport diffusé par l’Agence Internationale de l’Energie (AIE).explique que les émissions de gaz à effet de serre du secteur de l’énergie (avec trois postes majeurs: le pétrole, le charbon et le gaz) devraient encore croître en 2018 après avoir atteint un niveau record en 2017. C’est une bien mauvaise nouvelle à quelques semaines de la COP24 prévue en décembre à Katowice (Pologne). La réunion de Katowice est censée finaliser l’accord de Paris qui entrera en vigueur en 2020 et appelle à limiter le réchauffement climatique « bien en dessous » de 2°C, voire 1,5°C si possible.

Suite à ma note sur la Courbe de Keeling, il est bon de rappeler que la notion de concentration de CO2 est à distinguer de ces chiffres concernant les émissions de CO2. Les émissions représentent ce qui entre dans l’atmosphère en raison des activités humaines, la concentration indique ce qui reste dans l’atmosphère au terme des interactions entre l’air, la biosphère et les océans. D’une année à l’autre, la concentration de CO2 peut s’accélérer ou ralentir en raison de phénomènes naturels comme El Niño, ce qui signifie que la tendance n’est pas forcément exactement la même que pour les émissions de CO2 liées à la combustion des énergies fossiles.

Du point de vue des lois de la physique et de la chimie, la limitation du réchauffement planétaire à 1,5ºC est possible, mais il faudrait, pour la réaliser, des changements sans précédent. C’est ce qu’a expliqué le GIEC dans son dernier rapport publié le 8 octobre 2018 (voir ma note à ce sujet). Au rythme actuel, le seuil de 1,5°C serait atteint entre 2030 et 2052.

Pour rester en dessous de 1,5°C de réchauffement, il faudrait une baisse émissions de CO2 de 45% d’ici 2030 par rapport à leur niveau de 2010 pour parvenir à un bilan nul des émissions aux alentours de 2050. C’est un secret de polichinelle ; le monde ne se dirige pas vers les objectifs de l’accord de Paris ; il s’en éloigne. Alors que les énergies renouvelables ont fortement augmenté, leur croissance n’est toutefois pas assez importante pour inverser les tendances des émissions de CO2.

En 2017, selon l’AIE, la consommation mondiale d’énergie primaire avait avoisiné 14 050 millions de tonnes équivalent pétrole. (Mtep), ce qui correspond à une hausse de 2,1% par rapport à 2016 et de 40% par rapport à 2000. La part des énergies fossiles dans la demande énergétique mondiale est à un niveau stable depuis plus de trois décennies malgré la forte croissance des énergies renouvelables.

La consommation de charbon avait augmenté de près de 1% en 2017, après deux années de déclin, en raison d’une forte demande asiatique pour sa production d’électricité. Les consommations de pétrole et de gaz naturel au niveau mondial avaient respectivement augmenté de 1,6% et 3%. La production du parc nucléaire mondial avait augmenté de 3%.

Les énergies renouvelables ont représenté près d’un quart de la hausse de la consommation mondiale l’an dernier. Leur développement est tiré par les filières productrices d’électricité (+6,3% en 2017), en particulier par l’éolien, le solaire photovoltaïque et l’hydroélectricité.

Source : Agence Internationale de l’Energie, Global Climat.

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A report released by the International Energy Agency (IEA) explains that greenhouse gas emissions from the energy sector (with three major fields: oil, coal and gas) are expected to increase. in 2018 after reaching a record high in 2017. This is bad news just a few weeks before COP24 in December in Katowice (Poland). The Katowice meeting is supposed to finalize the Paris agreement, which will come into force in 2020 and calls for limiting global warming « well below » 2°C, or 1.5°C, if possible.
Following my note on the Keeling Curve, it is worth remembering that the notion of CO2 concentration is to be distinguished from the figures concerning CO2 emissions. Emissions represent what enters the atmosphere because of human activities, whereas the concentration indicates what remains in the atmosphere in the wake of the interactions between the air, the biosphere and the oceans. From one year to the other, the CO2 concentration can accelerate or slow down due to natural phenomena like El Nño, which means that the trend is not necessarily exactly the same as for the CO2 emissions related to the burning of fossil energies.
From the point of view of the laws of physics and chemistry, the limitation of global warming to 1.5ºC is possible, but it would require unprecedented changes. This was explained by the IPCC in its latest report published on October 8th, 2018 (see my note on this topic). At the current rate, the 1.5°C threshold would be reached between 2030 and 2052.
To stay below 1.5°C of global warming, it would be necessary to reduce CO2 emissions by 45% by 2030 compared to their 2010 level to achieve zero emissions in the 2050’s. It is an open secret; the world is not moving towards the objectives of the Paris Agreement; it is moving away from it. Even though renewable energies have risen sharply, their growth is not large enough to reverse CO2 trends.
In 2017, according to the IEA, the world’s primary energy consumption was around 14,050 million tonnes of oil equivalent. (Mtoe), which corresponds to an increase of 2.1% compared to 2016 and 40% compared to 2000. The share of fossil fuels in global energy demand has been stable for more than three decades despite the strong growth of renewable energies.
Coal consumption increased by almost 1% in 2017, after two years of decline, due to strong Asian demand for electricity generation. World oil and natural gas consumption increased by 1.6% and 3%, respectively. The output of the world’s nuclear power stations increased by 3%.
Renewables accounted for almost a quarter of the increase in global consumption last year. Their development is driven by the electricity generating sectors (+ 6.3% in 2017), in particular by wind, solar, photovoltaic and hydropower.
Source: International Energy Agency, Global Climat.

Estimation préliminaire (en violet) des émissions de CO2 en gigatonnes (109 tonnes) pour 2018. [Source : IEA]