Catégorie : Science

Approche scientifique de l’éruption islandaise de 2021 // Scientific approach of the 2021 Icelandic eruption

Nous ne savons pas prévoir les éruptions, mais nous savons décrire le déroulement des événements éruptifs.
Des scientifiques de l’Université d’Islande et du Met Office islandais (IMO) ont publié deux articles dans la revue Nature, dans lesquels ils présentent le fruit de leurs observations lors de l’éruption de Fagradalsfjall en 2021. C’était la première éruption sur la péninsule de Reykjanes après 800 ans de calme volcanique.
Les études montrent que les précurseurs de l’éruption islandaise étaient différents de ceux qui ont précédé de nombreuses autres éruptions à travers le monde, et que la composition de la lave a évolué au fur et à mesure que l’éruption progressait.
Les chercheurs ont analysé l’activité sismique sur la péninsule de Reykjanes. Elle a commencé en décembre 2019, a culminé avec l’éruption du 19 mars 2021 et s’est poursuivie pendant environ six mois.

L’un des articles – intitulé « La déformation et le déclin de la sismicité avant l’éruption de Fagradalsfjall de 2021 » – s’attarde sur les précurseurs de l’éruption et montre dans quelle mesure ils diffèrent des précurseurs de nombreuses autres éruptions dans le monde.
Il y a eu une activité sismique intense sur la péninsule de Reykjanes dans les semaines qui ont précédé l’éruption de 2021, avec une libération de contraintes tectoniques dans la croûte terrestre. Cependant, pendant plusieurs jours avant l’éruption, la déformation du sol et l’activité sismique ont diminué dans la zone autour du site de l’éruption. Ce schéma précurseur est donc différent de ceux qui précèdent de nombreuses autres éruptions dans le monde, qui montrent souvent une augmentation de la déformation du sol et de la sismicité peu de temps avant le début de l’éruption, signe que le magma se fraye un chemin vers la surface.
Les auteurs de l’article expliquent que la situation observée sur le Fagradalsfjall a été provoquée par l’interaction entre le flux magmatique et les contraintes au niveau des plaques tectoniques. Lorsque le magma se fraye un chemin à travers la croûte avant une éruption, une contrainte tectonique est parfois libérée, ce qui provoque des séismes et une déformation du sol. Un déclin de la sismicité et de la déformation peut indiquer que ce processus touche à sa fin et que le magma est prêt à percer la surface.
Au cours de la période de trois semaines qui a précédé l’éruption de Fagradalsfjall, il y a eu à la fois une déformation de surface considérable et une forte sismicité. La cause était la mise en place d’un dyke magmatique vertical entre la surface et 8 km de profondeur. Dans le même temps, des contraintes tectoniques dans la croûte ont été libérées. Des séismes d’une magnitude pouvant atteindre M 5,6 ont été enregistrés dans les zones voisines.
Les scientifiques pensent que la baisse de la sismicité dans les jours qui ont précédé l’éruption peut s’expliquer par le fait que le magma avait alors presque atteint la surface, là où la croûte est la plus faible et où il y a donc moins de résistance.
Cette situation montre qu’il faut tenir compte de la relation entre les volcans et les contraintes tectoniques dans la prévision des éruptions. Une libération des contraintes tectoniques, suivie d’une diminution de la déformation et de la sismicité, peut précéder un certain type d’éruption.

Le deuxième article – intitulé « Déplacement rapide d’une source magmatique profonde sur le volcan Fagradalsfjall » – traite des changements dans la composition de la lave dans la Geldingadalir au cours de l’éruption.
Les scientifiques ont fréquemment échantillonné la lave au cours des 50 premiers jours de l’éruption et ils ont mesuré les gaz volcaniques autour du site éruptif. Ces mesures ont révélé que la lave du Fagradalsfjall provenait directement d’un réservoir magmatique à grande profondeur, à la frontière entre la croûte et le manteau, autrement dit la zone proche du Moho.
Une éruption avec du magma provenant directement de la zone proche du Moho n’a pas été observée dans d’autres éruptions en temps réel. Dans ces cas précédents, le magma provenait de profondeurs moindres de la croûte terrestre. On manque d’informations sur les parties les plus profondes des systèmes magmatiques. L’éruption du Fagradalsfjall a fourni à la communauté scientifique de nouvelles connaissances sur les processus impliqués.
Au début de l’éruption de 2021, la lave était relativement riche en magnésium, comparée à la lave d’autres éruptions historiques en Islande, ce qui révèle un apport de magma particulièrement chaud. Il y avait aussi beaucoup de dioxyde de carbone (CO2) dans les gaz volcaniques émis par la bouche éruptive, ce qui confirme un apport de magma très profond. Selon les scientifiques, cela montre que le magma a subi peu de refroidissement en remontant à travers la croûte jusqu’à la surface. On pense que le réservoir magmatique se trouvait à une quinzaine de kilomètres sous la surface.

L’étude de l’éruption révèle également que la composition de la lave du Fagradalsfjall a radicalement changé au fur et à mesure que l’éruption progressait. Cela laisse supposer que pendant l’éruption un nouveau magma est arrivé en provenance de profondeurs plus importantes que le magma déjà présent dans le réservoir.
Les scientifiques expliquent que l’on sait depuis longtemps que différents types de magma peuvent se mélanger en profondeur, dans les systèmes magmatiques, avant une éruption. Cette éruption présente des preuves en temps réel que ces processus se produisent.
De plus, les modifications de la composition des produits volcaniques montrent que du nouveau magma peut s’introduire rapidement dans un réservoir profond, dans un délai d’environ 20 jours, et se mélanger au magma déjà présent dans le réservoir, en déclenchant potentiellement l’éruption.
Ces découvertes peuvent aider à mieux comprendre les volcans et la géochimie du manteau et pourraient contribuer à l’élaboration de modèles de systèmes magmatiques partout dans le monde.

Source: Met Office islandais, Université d’Islande, The Watchers.

Il sera maintenant intéressant de comparer les conclusions de l’éruption de 2021 avec celles de l’éruption de 2022. Il faudra voir si la dernière éruption se situe dans le prolongement de celle de 2021 ou s’il s’agit de deux événements indépendants l’un de l’autre.

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We are not good at predicting eruptions, but we are dood at describing what happened.

Scientists from the University of Iceland, the Icelandic Met Office (IMO) have published two papers in the journal Nature, presenting new findings from the 2021 eruption at Fagradalsfjall. It was the first eruption on the Reykjanes Peninsula after 800 years of dormancy.

The studies show that the precursors to the eruption were unusual compared to many other eruptions across the world and that the composition of the lava changed as the eruption continued.

Researchers closely observed the seismic activity on Reykjanes Peninsula, which began in December 2019, culminated with the eruption on March 19th, 2021 and continued for around half a year.

One of the papers – titled “Deformation and seismicity decline before the 2021 Fagradalsfjall eruption” -discusses the precursors to the eruption and how they differ from the precursors of many other eruptions around the world.

There was a significant seismic activity on the Reykjanes Peninsula in the weeks leading up to the 2021 eruption, marked by tectonic stress release in the crust. However, for several days before the eruption, deformation and seismic activity declined in the area around the eruption site. This precursory pattern is different from those preceding many other eruptions around the world, which often show escalating rates of ground displacement and seismicity shortly before the eruption onset, as the magma forces its way to the surface.

The scientists behind the paper explain that the behaviour at Fagradalsfjall was caused by the interplay between magma flow and plate tectonic stress. As magma forces its way through the crust before an eruption, tectonic stress may be released, causing earthquakes and ground deformation in the early stages. A decline in seismicity and deformation may indicate that this process is coming to an end and that the magma may erupt.

During the three-week period preceding the eruption at Fagradalsfjall, there was both considerable surface deformation and a large number of earthquakes. This was caused by the emplacement of a vertical magma-filled dyke between the surface and a depth of 8 km. At the same time, tectonic stress in the crust was released. Earthquakes occurred in nearby areas, up to magnitude M 5.6.

The scientists also suggest that the decline in seismicity in the days before the eruption could be explained by the fact that the magma had then almost reached the surface, where the crust is weakest and there is therefore less resistance.

This situation shows that consideration must be given to the relationship between volcanoes and tectonic stress in eruption forecasting. A release of tectonic stress followed by a decline in deformation and seismicity rate may be a precursory activity for a certain type of eruption.

The second paper – titled “Rapid shifting of a deep magmatic source at Fagradalsfjall volcano, Iceland” – discusses the changes to the composition of the lava that flowed through Geldingadalir and the surrounding area as the eruption continued.

Scientists sampled the lava frequently during the first 50 days of the eruption and measured the volcanic gases around the eruption site. This revealed that the lava at Fagradalsfjall was directly sourced from a magma reservoir at great depth, at the boundary between the crust and the mantle – the near-Moho zone.

Eruption directly from the near-Moho zone has not been observed in other eruptions with real-time investigation. In these previous cases, the magma came from shallower levels in the crust. Until now, there has therefore been a lack of information about the deepest parts of magmatic systems. The eruption at Fagradalsfjall has provided the scientific community with new knowledge of the processes involved.

At the start of the eruption, the lava was relatively rich in magnesium in comparison with lava from other historical eruptions in Iceland, indicating an unusually hot magma supply. There was also a lot of carbon dioxide in the volcanic gases emitted from the eruption vent, indicating an unusually deep magma supply. The scientists explain that this suggests that the magma underwent little cooling on its way up through the crust to the surface. It is believed that the magma reservoir was located about 15 km from the surface.

The research also revealed that the composition of the lava at Fagradalsfjall radically changed as the eruption progressed. This suggests that during the eruption, a new magma was generated at greater depths than the magma already present in the reservoir.

The scientists point out that it has long been argued that different kinds of magma can mix deep in magmatic systems before an eruption. This study presents real-time evidence that these processes do occur.

Furthermore, changes to the composition of volcanic products show that new magma can flow into a deep reservoir rapidly, in a timescale of around 20 days, mixing with the magma already in the reservoir and potentially triggering the eruption.

These findings may aid our understanding of volcanoes and the geochemistry of the mantle and could support the development of models of magmatic systems all over the world.

Source: Icelandic Met Office, University of Iceland, The Watchers.

It will now be interesting to compare the conclusions of the 2021 eruption with those of the 2022 eruption. It will be particularly interesting to see if the last eruption is a continuation of that of 2021 or if they are two distinct events.

Captures d’écran de l’éruption de 2021

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