Catégorie : Science

La géodésie sur les volcans // Volcano geodesy

Plusieurs paramètres sont à prendre en compte pour analyser le comportement des volcans et tenter de prévoir les éruptions : sismicité, température et composition des gaz, déformation du sol… Ce dernier paramètre est le domaine de la géodésie qui consiste à mesurer la déformation et l’évolution de la surface de la Terre. Un article récemment publié par le Hawaiian Volcano Observatory (HVO) nous donne plus de détails sur cette technologie.
Les principales données géodésiques actuellement utilisées par les scientifiques du HVO pour mesurer la déformation de surface sur le Kilauea sont fournies par les images GNSS (système global de navigation par satellite, qui comprend le GPS), l’inclinaison du sol (tilt en anglais) et l’interférométrie radar (InSAR).

Sur le Kilauea, le réseau de surveillance géodésique comprend plus de 70 stations GNSS et 15 inclinomètres qui enregistrent et transmettent des données en continu. Ces instruments nécessitent une maintenance; de plus, ils doivent être réactualisés périodiquement en raison de leur âge et doivent être remplacés s’ils sont détruits par l’activité volcanique comme en 2018.
A l’heure actuelle à Hawaii, le travail des scientifiques se focalise sur la reconstruction et l’amélioration du réseau géodésique afin de mieux détecter les risques liés à l’activité volcanique. Une partie du travail consiste à remplacer les instruments obsolètes et à améliorer le fonctionnement des instruments de surveillance en temps quasi réel dans des zones les plus sensibles du sommet du Kilauea et des zones de rift. Le rôle de ces instruments est de pouvoir détecter rapidement les mouvements du magma.
En 2018, des coulées de lave ont détruit 3 stations GNSS dans la Lower East Rift Zone (LERZ). Trois autres stations GNSS ont été détruites lors de l’effondrement de la caldeira sommitale du Kilauea. De nouvelles stations GNSS ont été rapidement déployées à proximité pour permettre une surveillance continue pendant la crise éruptive de 2018. Ces stations déployées rapidement comprennent des antennes GNSS montées sur trépied et qui appartiennent à la configuration utilisée pour les situations temporaires d’une durée de plusieurs jours à plusieurs semaines.
Bon nombre de ces sites où des antennes ont été installées rapidement ont été supprimés après 2018. Cependant, environ 13 d’entre eux sont toujours utilisés pour la surveillance en cas d’urgence et restent sur des trépieds temporaires. Ces sites seront modernisés et de nouveaux sites seront également mis en place pour remplacer ceux détruits en 2018.
Le HVO a déployé 3 nouvelles stations GNSS à fonctionnement semi-continu suite à l’éruption du Kilauea en décembre 2020. Ces stations ont permis aux scientifiques d’avoir une vue plus complète du retour du magma vers le sommet.
De même, le HVO a déployé un équipement GNSS à réponse rapide sur 2 repères préexistants lors de l’intrusion magmatique au niveau de la caldeira sud du Kilauea en août 2021. Cela a permis aux scientifiques de suivre la migration du magma depuis la caldeira vers le sud.
Dans l’article, l’Observatoire explique que le réseau géodésique permet aux scientifiques de surveiller les déformations du sol sur les volcans, de réagir face aux éruptions et de mieux comprendre le stockage et le mouvement du magma sous terre.
Source : USGS, HVO.

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Several parameters need to be taken into account to analyse the behaviour of volcanoes and try to predict eruptions: seismicity, gas temperature and composition, ground deformation… This last parameter is the domain of geodesy which is the study of measuring and understanding how the Earth’s surface deforms and changes. As article recently published by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) gives us more details about this technology.

The main geodetic datasets currently used by HVO scientists to measure surface deformation on Kilauea Volcano are GNSS (global navigation satellite system, which includes GPS), tilt, and satellite radar (InSAR) imagery.

On Kilauea, geodetic monitoring network includes over 70 GNSS stations and 15 tiltmeters that continuously record and transmit data. These instruments require routine maintenance, must be upgraded periodically due to age, and must be replaced if destroyed by volcanic activity such as in 2018.

Current upgrades focus on rebuilding and improving HVO’s geodetic network in order to better detect and respond to volcanic hazards related to Hawaiian Volcanoes. Some of the network upgrades include replacing out-of-date instruments and improving the network of near real-time monitoring instruments at critical areas on Kilauea’s summit and rift zones to support early detection of magma movement.

In 2018, lava flows destroyed 3 GNSS stations in the lower East Rift Zone. Another 3 GNSS stations were destroyed in the caldera collapses at Kilauea’s summit. New GNSS stations were rapidly deployed at nearby locations to allow for continued monitoring during the 2018 crisis. These rapidly deployed stations included GNSS antennas mounted on surveys tripods, which is a set-up used for temporary deployments that last several days to weeks.

Many of these rapidly deployed sites were removed after 2018. However, approximately 13 of them are still being used for emergency monitoring and remain on temporary tripods. These sites will be upgraded and new sites will also be installed to replace those destroyed in 2018.

HVO has deployed 3 new semi-continuous GNSS stations in response to the December 2020 Kilauea eruption. These stations gave scientists a more complete view of magma returning to the summit.

Similarly, HVO deployed rapid-response GNSS equipment at 2 pre-existing benchmarks during the Kilauea south caldera intrusion event in August 2021, allowing scientists to track the migration of magma from the south caldera to farther south.

In the article, the Observatory explains that the geodetic network ensures that scientists can monitor changes in the shape of volcanoes, respond to eruptions, and understand magma storage and movement underground.

Source: USGS, HVO.

Station géodésique GNSS sur le plancher de la caldeira du Kilauea (Crédit photo : HVO)

Exemple d’interférogramme InSAR du Kilauea pendant l’éruption de 2018 (Source: NASA / Université de Liverpool).

Roches volcaniques sur la planète Mars // Volcanic rocks on Mars

Comme je le dis très souvent, nous connaissons mieux la surface de Mars que le fond de nos propres océans. Le robot Perseverance de la NASA a atterri sur la Planète Rouge le 18 février 2021 dans le Cratère Jezero qui a été choisi par les scientifiques car on y trouve l’ancien delta d’un fleuve qui se déverse dans le cratère. Les scientifiques espèrent qu’un tel environnement fournira des informations sur la vie sur la planète il y a des milliards d’années.
Perseverance vient de découvrir des roches volcaniques ignées* sur le sol du cratère Jezero, ce qui a surpris les géologues qui s’attendaient à être confrontés à des roches sédimentaires formées de boue et de matériaux déposés par l’ancien lac qui emplissait le cratère il y a environ 3,7 milliards d’années. Selon eux, cette découverte pourrait être la clé pour comprendre l’histoire du climat sur Mars et révéler à quelle époque la planète avait un environnement humide et potentiellement habitable.
L’origine des roches ignées de Jezero reste un mystère, car il n’y a pas de relief volcanique dans ou à proximité du cratère. Perseverance a analysé deux formations de roche ignée baptisées Séítah (un mot Navajo signifiant « au milieu du sable ») et Máaz (mot Navajo pour « Mars »), la dernière nommée recouvrant la première. Séítah est riche en olivine, un minéral volcanique commun. On pense que Máaz s’est formée à partir de lave qui a recouvert Séítah.
Une étude menée par des scientifiques norvégiens de l’Université d’Oslo s’appuie sur les données fournies par le radar de Perseverance qui a pénétré le sol martien. Elles montrent que l’unité géologique où se trouvent Séítah et Máaz se prolonge en profondeur et a été partiellement soulevée, ce qui lui donne une inclinaison. On a affaire à une crête rocheuse de près d’un kilomètre de long et inclinée d’environ 10 degrés.
Cette découverte est surprenante car il faudrait des forces tectoniques puissantes pour provoquer une telle inclinaison; or, Mars n’a pas de tectonique des plaques, et rien ne prouve qu’une telle tectonique ait jamais existé. Les géologues disent que les roches ont subi cette inclinaison, après avoir été déposées, par un phénomène qui reste à déterminer.
Le lac a rempli le cratère Jezero quelque temps après la formation de Séítah et Máaz,. il les a recouvertes de boue qui a fini par former une épaisse couche de roche sédimentaire. Lorsque le climat de Mars a changé, le lac s’est asséché et a révélé les sédiments.
L’une des qualités de Perseverance est sa capacité à mettre de côté des échantillons de roche et de sol pour une future mission qui les récupérera et les rapportera sur Terre. La NASA et l’Agence Spatiale Européenne (ESA) travaillent sur une telle mission de retour d’échantillons qui devrait avoir lieu en 2028. Lorsqu’ils auront les roches dans leurs laboratoires, les scientifiques seront en mesure de fournir des dates beaucoup plus précises sur l’histoire géologique du cratère Jezero.
Une autre information essentielle que les échantillons pourraient fournir concerne la durée pendant laquelle Mars – ou du moins le cratère Jezero – a connu un environnement humide. Le fond du cratère ne présente pas les argiles qui se forment généralement lorsque la roche est exposée à beaucoup d’eau sur une longue période. Cela signifie que soit l’eau de Jezero a été présente sur une longue durée, mais était peu profonde, soit que le lac n’a pas existé très longtemps, du moins à l’échelle géologique. Cependant, les eaux souterraines ont pu exister beaucoup plus longtemps, en laissant leur signature sur les échantillons collectés par Perseverance. Le robot a déjà détecté des sels, tels que le perchlorate, dans les fissures entre les roches. Ils se peut qu’ils proviennent d’interactions avec les eaux souterraines ou même avec l’eau de fonte de la glace, et donc ils pourraient être beaucoup plus jeunes que le lac.
Adapté d’un article paru sur le site Space.com.

[* Pour mémoire, les roches ignées (du latin igneus qui signifie «vient du feu») sont des roches ayant subi une forte chaleur ou dont les propriétés sont consécutives à des températures élevées. Elles résultent du refroidissement et de la cristallisation du magma ].

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As I explain very often, we know the surface of Mars better than the bottom of our own oceans. NASA’s robot Perseverance landed on the Red Planet on February 18th, 2021 in the Jezero Crater chosen as a landing site because of ancient river delta that spills into the crater. Scientists hope that such an environment will give information about life on the planet billions of years ago.

Perseverance has just discovered igneous rocks on the Jezero Crater’s floor, which came as a surprise to geologists who expected to be confronted with sedimentary rocks formed from mud and detritus laid down by the ancient lake that filled the Jezero Crater about 3.7 billion years ago.They think it could be the key to understanding Mars’ climate history and revealing exactly when it was wet and potentially habitable.

The origin of Jezero’s igneous rocks remains a mystery, since there are no obvious volcanic features in or near the crater. Perseverance has been studying two formations of igneous rock, named Séítah (after the Navajo word for « amidst the sand ») and Máaz (the Navajo for « Mars »), with the latter overlying the former. Séítah is rich in olivine, a common volcanic mineral. Máaz is interpreted as having formed from lava that flowed over Séítah.

A study by Norwegian scientists at the University of Oslo results from Perseverance‘s ground-penetrating radar. il shows that the geological unit containing Séítah and Máaz extends underground and has been partially uplifted, placing it at an angle. It is a ridge of rock almost 1 kilometer long that is tilted by about 10 degrees.

This finding is unexpected because causing such a tilt requires exceptional tectonic forces, but Mars does not have plate tectonics, nor is there any strong evidence that it ever did. Geologists say that the rocks were tilted after they were deposited by some phenomenon yet to be determined.

The lake filled the Jezero Crater sometime after Séítah and Máaz formed, covering them with mud that ultimately formed a deep layer of sedimentary rock. But as Mars’ climate changed, the lake dried up, exposing the sediment.

One of the amazing qualities of Perseverance is its ability to cache samples of rock and soil for a future mission to retrieve and return to Earth. NASA and the European Space Agency are working together on a sample-return mission to launch in 2028. When they get the rocks in their labs, scientists will be able to provide far more accurate dates to the timeline of Jezero Crater.

Another key measurement that the samples could provide is how long Mars – or at least Jezero Crater – was wet. The crater floor has a lack of clays which typically form when rock is exposed to a lot of water over a long period. This means that either the water in Jezero was long-lived but shallow, or that the lake did not exist for very long, at least not on geological timescales. However, groundwater could have persisted for a much longer time, leaving its signature on the samples collected by Perseverance. Already the rover has detected salts, such as perchlorate, in the cracks between the rocks, which could have come from interactions with groundwater or even with frost melt, and therefore they could be much younger than the lake.

Adapted from an article in Space.com.

https://www.space.com/

 

Roches volcaniques dans le cratère Jezero (Crédit photo: NASA)

White Island (Nouvelle Zélande // New Zealand)

Voici une annonce assez surprenante de GeoNET à propos de la surveillance du volcan de White Iskand (Nouvelle Zélande) :

« La récente perte d’accès aux données en continu pour Whakaari / White Island signifie que nous sommes absolument incapables de faire la distinction en temps quasi réel entre VAL 1 (activité volcanique mineure) et VAL 2 (activité modérée à forte). En conséquence, le niveau d’alerte volcanique pour Whakaari / White Island a été relevé à 2, non pas suite à l’observation d’une hausse de l’activité volcanique, mais en raison de notre niveau d’incertitude pour interpréter actuellement la situation par manque de données en temps réel. »

Depuis l’explosion du 9 décembre 2019, l’accès à White Island est interdit au public. L’île se situant à une cinquantaine de km de la côte de l’Ile du Nord, le risque pour les populations est faible.

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Here is a rather surprising announcement from GeoNET about the monitoring of the White Iskand volcano (New Zealand):

« The recent loss of access to continuous data from Whakaari/White Island means we are effectively unable to distinguish in near real-time between VAL 1 (minor volcanic unrest) and VAL 2 (moderate to heightened unrest). As a result, the Volcanic Alert Level for Whakaari/White Island has been raised to Level 2, not as an indication of a noticed increase in volcanic activity, but as a reflection of the increased level of uncertainty in our interpretation due to the current lack of real-time data. »

Since the explosion of December 9th, 2019, access to White Island has been prohibited to the public. As the island is located about fifty kilometers from the coast of the North Island, the risk for the populations is low.

Photo: C. Grandpey

Nyiragongo (RDC) : la difficulté de la prévision éruptive // The difficulty of eruptive prediction

L’année dernière, le 22 mai 2021, le Nyiragongo (République Démocratique du Congo) est entré brutalement en éruption. Les habitants de Goma ont vu les villageois des environs arriver en courant avec des matelas sur la tête et de grands sacs contenant leurs affaires, leurs enfants derrière eux. Ces villageois ont dit qu’il y avait un feu de forêt et qu’il se rapprochait. À 17 heures, une forte lueur est apparue dans le ciel et des explosions étaient audibles au loin. Vers 18 heures, tout le monde s’est rendu compte qu’il s’agissait d’une éruption volcanique. Vers 3 heures du matin, la coulée de lave vomie par le Nyiragongo s’est arrêtée à une centaine de mètres de la porte d’entrée de la clinique de Buhene, et à moins de 800 mètres de l’aéroport de Goma. Selon l’ONU, plus de 13 villages et 3 629 maisons ont été détruits, laissant plus de 20 000 personnes sans abri. La lave ayant détruit les lignes électriques, un quart des habitants de Goma se sont retrouvés sans électricité. Au moins 37 personnes sont mortes, soit d’une exposition à la lave ou aux gaz, soit dans des accidents pendant leur fuite devant le danger.

Dans une nouvelle étude publiée le 31 août 2022 dans la revue Nature, des scientifiques du Centre européen de géodynamique et de sismologie de Walferdange au Luxembourg, ont expliqué pourquoi l’éruption avait surpris tout le monde.
La plupart des volcans sous surveillance scientifique envoient des signaux indiquant qu’ils sont susceptibles d’entrer en éruption. En se frayant un chemin à travers la roche, le magma génère des signaux sismiques et déforme le sol à mesure qu’il monte vers la surface en libèrant des gaz toxiques.
Malheureusement, ce ne fut pas le cas pour le Nyiragongo en 2021. Selon les volcanologues locaux, le volcan se comportait comme d’habitude. Ils n’ont détecté aucun changement particulier annonçant une éruption à court terme.
Dans l’étude, les chercheurs avancent l’hypothèse qu’avant le paroxysme, le magma a pénétré à l’intérieur du flanc du Nyiragongo. La masse de roche en fusion était déjà si proche de la surface que le flanc du volcan s’est éventré, libérant immédiatement la lave, sans les signes précurseurs habituels. Le 22 mai, le flanc du Nyiragongo avait probablement été affaibli au fil du temps par des secousses sismiques et par des intrusions magmatiques, de sorte qu’il a fini par céder et laissé échapper des torrents de lave qui ont dévalé ses pentes.
Ce genre d’éruption inopinée devrait servir de leçon aux scientifiques : malgré ce que nous savons déjà sur les volcans, il y a encore des choses que nous ne comprenons pas.
Avec sa lave fluide et rapide et sa capacité à émettre du dioxyde de carbone dans son environnement, le Nyiragongo est un volcan particulièrement dangereux qui met fréquemment en danger Goma, au Congo, et Gisenyi, une ville rwandaise à proximité.
Les éruptions latérales du Nyiragongo en 1977 et 2002 ont tué des centaines de personnes, mais ces deux événements avaient été précédées de signaux indiquant que le magma était sur le point d »atteindre la surface. On avait enregistré de puissants séismes et une modification de comportement du lac de lave. De plus, le Nyiamuragira voisin était entré en éruption et on sait qu’il existe une interconnexion des conduits d’alimentation avec ceux du Nyiragongo.
Depuis 2015, un nouveau réseau sismique est installé dans la région pour détecter les mouvements du magma du Nyiragongo. Avec le bruit émis par le lac de lave qui bouillonne dans le cratère, la « bande sonore » est souvent saturée et il est donc très difficile de détecter un comportement inhabituel du volcan.
Malgré des problèmes politiques, techniques et financiers ces dernières années, le personnel de l’Observatoire Volcanologique de Goma était en mesure de surveiller le volcan au moment de l’éruption et aucun signal précurseur n’a été détecté avant l’éruption de 2021. Cela a été confirmé par des scientifiques internationaux qui ont examiné les données recueillies à l’époque : le Nyiragongo n’a montré aucune activité sismique particulière et le lac de lave n’a pas montré de changement significatif.
Selon la nouvelle étude, tout cela signifie que l’utilisation des méthodes de surveillance traditionnelles sur le Nyiragongo ne permet pas de détecter de tels types d’éruptions. Cela rend ce volcan encore plus dangereux.
La capacité du Nyiragongo à dissimuler son comportement éruptif n’est pas unique dans le monde. Certains volcans peuvent émettre leur lave tranquillement au sein de paysages fracturés, tandis que d’autres montrent de soudaines explosions de vapeur. Il faut espérer qu’un jour, en étudiant ces éruptions soudaines et imprévues à l’aide d’équipements plus performants, on puisse détecter des précurseurs qui permettront de sauver des vies. Il se peut aussi que nous ne réussissions jamais à aller plus avant dans la prévision volcanique. On peut lire dans la conclusion de l’étude : « Il y a peut-être des choses qu’on ne pourra jamais prévoir. »
Source : Le New York Times, via Yahoo News.

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Last year, on May 22nd, 2021, Nyiragongo volcano (Democratic Republic of Congo) eruptedsuddenly. The residents of Goma could see villagers from the foothills of Mount Nyiragongo hurrying with mattresses on their heads and large sacks with their belongings, children in tow. These villagers said there was a forest fire, and it was getting closer. By 5 pm, a fiery glow appeared in the sky and explosions could be heard in the distance. At about 6pm, everybody realized it was a volcanic eruption. At around 3 o’clock in the morning, the flow of lava stopped about 100 metres from the front gate of the clinic in Buhene, and less that 800 metres from Goma’s airport. According to the U.N., over 13 villages and 3,629 houses were destroyed, leaving over 20,000 people homeless. As the lava wiped out power lines, a quarter of Goma’s inhabitants were left without electricity. At least 37 people died, either from exposure to the lava or gases, or in accidents while trying to evacuate.

In a new study published on August 31st, 2022 in the journal Nature, scientists at the European Center for Geodynamics and Seismology in Walferdange, Luxembourg, explained how the eruption managed to ambush everyone.

Most sufficiently monitored volcanoes offer warning signals before erupting. Magma forcing its way through rock generates distinctive types of earthquakes, deforms the land as it ascends and unleashes noxious gases.

Not so for Nyiragongo in 2021. According to the local volcanologists, the volcano was behaving as usual. They were not able to detect any dramatic change that could tell that an eruption would occur.

In the study, the researchers suspect that, before the paroxysm, magma intruded below Nyiragongo’s flank. The molten mass was already so close to the surface that should the flank have broken apart, it would have immediately erupted without the usual precursory signs. On May 22nd, the flank, which had been weakened over time by earthquakes, and by incursions of magma, finally yielded and rivers of lava travelled down its slopes

This sort of unannounced eruption offers scientists a harsh lesson : despite what we already know about volcanoes, there are still things that we don’t understand.

With its fluid, fast-moving lava and its ability to suffuse carbon dioxide into its surroundings, Nyiragongo is an extraordinarily perilous volcano that frequently endangers Goma, in Congo, and Gisenyi, a contiguous Rwandan city.

Nyiragongo’s flank eruptions in 1977 and 2002 killed hundreds, but both were preceded by signs that magma was about to invade the surface: large earthquakes, strange lava lake convulsions and the eruption of the nearby Nyamulagira volcano, whose magmatic pathways are partially entwined with Nyiragongo’s.

Since 2015, a new seismic ntwork has been established in the region to detect Nyiragongo’s magma movements. Partly thanks to the endlessly bubbling lava lake, the soundtrack is as interminable as it is loud. Trying to pick out unusual changes is like trying to identify a new voice in a gigantic crowd of people talking.

Although the Goma Volcano Observatory has been beset with political, technical and financial troubles in recent years, its staff managed to monitor the volcano around the time of the eruption. And as far as they could tell, no precursory signals were detected before the 2021 outburst. This was confirmed by international scientists who scrutinized the scientific data that was gathered at the time : Nyiragongo had exhibited no peculiar seismic activity and its lava lake had not acted up; it had not significantly changed shape.

According to the new study, all this means that using traditional monitoring methods on Nyiragongo will not allow to detect such kinds of eruptions. This makes this volcano even more dangerous than previously thought.

Nyiragongo’s stealthy capabilities are not unique. Other volcanoes can let their lava loose from rifting landscapes relatively quietly, while others unleash unexpected blasts of steam. The hope is that by studying these eccentric eruptions, with improved technological wizardry, some lifesaving precursors will be spotted some day But it’s possible that we will never become perfect prophets of our volcanic futures. One can read in the study’s conclusion : “There may be things we will never be able to forecast.”

Source :The New York Times, via Yahoo News.

La lave du Nyiragongo a recouvert des zones habitées