Catégorie : Science

Nouvelles données sur le volcanisme lunaire // New data on lunar volcanism

Une analyse d’échantillons lunaires fournis par la mission lunaire chinoise Chang’e 5 apporte peut-être une nouvelle réponse au volcanisme récent sur la Lune.
Les échantillons obtenus grâce aux missions Apollo et Luna ont tous été datés à environ 3 milliards d’années, mais les échantillons rapportés par la mission Chang’e 5 fin 2020 montrent que les roches de la région où le vaisseau spatial s’est posé étaient relativement jeunes, âgées de seulement 2 milliards d’années.
La mission Chang’e 5 a permis de collecter 1,73 kilogrammes de poussière et de roches lunaires dans une région appelée Oceanus Procellarum sur la face la plus proche de la lune en décembre 2020. Les scientifiques chinois avaient ciblé cette zone d’alunissage en raison de la densité apparente plus faible de cratères. Cela laissait supposer que la zone était nettement plus jeune que les zones échantillonnées par les missions Apollo américaine et Luna soviétique.

Voir vidéo de l’alunissage de Chang’e 5:

https://youtu.be/VS9zr6MrCiM

Image agrandie d’un échantillon de roche lunaire collecté lors de la mission chinoise Chang’e 5 en décembre 2020. (Source : CNSA/GRAS/NAOC)

Plusieurs équipes scientifiques ont essayé de savoir ce que les roches peuvent nous apprendre sur la Lune et l’histoire de notre système solaire.

Des chercheurs avaient précédemment émis l’hypothèse qu’une teneur en eau relativement élevée ou la présence d’éléments radioactifs producteurs de chaleur à l’intérieur de la Lune était susceptible de provoquer du volcanisme à un stade avancé de la vie de la Lune, dans certaines régions. Cependant, de nouvelles données fournies par la mission Chang’e-5 et publiées dans la revue Nature semblent écarter cette hypothèse.
Des chercheurs de l’Institut de géologie et de géophysique de l’Académie chinoise des sciences ont découvert qu’un point de fusion plus bas de certaines parties du manteau lunaire pourrait être dû à la présence de composants fusibles donnant naissance à un jeune volcanisme lunaire. L’étude a été publiée dans la revue Science Advances le 21 octobre 2022.
Un des scientifiques auteurs de l’étude a expliqué que « la fusion récente du manteau lunaire peut être obtenue soit en augmentant la température, soit en abaissant le point de fusion. Pour mieux comprendre ce problème, nous devons évaluer la température et la pression dans lesquelles le jeune volcanisme a été créé ».
Les chercheurs ont mené une série de simulations de cristallisation fractionnée et de fusion du manteau lunaire afin de comparer 27 échantillons de clastes de basalte issus de la mission Chang’e 5 avec des basaltes fournis par les missions Apollo. Ils ont découvert que le jeune magma collecté par Chang’e 5 avait des teneurs en oxyde de calcium et en dioxyde de titane plus élevées que les magmas Apollo plus anciens. Ce sont des cumulats océaniques de magma lunaire de stade tardif, riches en calcium et en titane, qui fondent plus facilement que les cumulats plus anciens.
L’étude présente des preuves du premier mécanisme viable susceptible d’expliquer le jeune volcanisme sur la Lune, compatible avec les derniers échantillons rapportés par la mission Chang’e 5. Cela pourrait aider à comprendre l’évolution thermique et magmatique de la Lune.
Source : space.com.

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An analysis of lunar samples returned by China’s Chang’e 5 moon mission has produced a new possible answer for recent volcanism in the moon’s history.

Lunar samples returned by the Apollo and Luna missions are all older than about 3 billion years, but samples returned by Chang’e 5 in late 2020 showed that rocks in the area were relatively young, at only 2 billion years old.

China’s Chang’e 5 spacecraft collected 1.73 kilograms of lunar dust and rocks (see sample above) from a region called Oceanus Procellarum on the near side of the moon in December 2020. The mission team targeted this landing area because of its apparent lower density of craters, suggesting it was significantly younger than areas sampled by the Apollo and Soviet Luna missions.

See video of Chang’e 5’s landing:

https://youtu.be/VS9zr6MrCiM

Various teams of scientists have been working to learn what the rocks can tell us about the moon and the history of our solar system. The researchers previously speculated that either a relatively high water content or the presence of radioactive, heat-producing elements in the lunar interior might have driven volcanism in a late stage of the moon’s life in some areas. However, new Chang’e-5 data published in the journal Nature appears to have ruled out these hypotheses.

Researchers from the Institute of Geology and Geophysics at the Chinese Academy of Sciences found that a lower melting point for portions of the lunar mantle could be due to the presence of fusible components, leading to young lunar volcanism. The study was published in the journal Science Advances on October 21st, 2022.

One of the sientists explained that « recent melting of the lunar mantle can be achieved by either raising the temperature or lowering the melting point. To better understand this problem, we should estimate the temperature and pressure in which the young volcanism was created. »

The researchers conducted a series of fractional crystallization and lunar mantle melting simulations to compare 27 samples of Chang’e 5 basalt clasts with Apollo basalts. They found that the young magma collected by Chang’e 5 had higher calcium oxide and titanium dioxide contents than older Apollo magmas. These are calcium-titanium-rich late-stage lunar magma ocean cumulates are more easily melted than early cumulates.

The research presents evidence for the first viable mechanism to account for young volcanism on the Moon that is compatible with the newly returned Chang’e 5 samples and could help understand the Moon’s thermal and magmatic evolution.

Source : space.com.

Du lithium en France!

En ce 24 octobre 2022, les médias français annoncent avec tambours et trompettes l’exploitation d’un gisement de lithium dans l’Allier. Ce sera le premier en France.

L’une des plus grandes mines européennes de lithium, minerai essentiel dans la fabrication des batteries électriques et qui devrait permettre aux voitures de se passer du pétrole et son cortège de gaz à effet de serre, verra le jour d’ici à 2027.
Le projet « Emili », annoncé par le groupe français de minéraux industriels Imerys, aidera l’Europe à se défaire de sa dépendance de la Chine pour le lithium nécessaire aux batteries des voitures électriques qui devraient être les seuls véhicules neufs à pouvoir être vendus dans l’Union européenne à partir de 2035.
On apprend qu’il a fallu 18 mois de sondages et d’études effectués dans le sous-sol d’une carrière de kaolin détenue depuis 2005 par le groupe Imerys à Beauvoir (Allier) pour confirmer l’intérêt économique de la mine.
Le projet, qui se veut exemplaire sur le plan environnemental et climatique, devrait donc réduire drastiquement nos besoins d’importation de lithium. Il sera soutenu par le gouvernement français.

Les concentrations et quantités de lithium ont été jugées très attractives à Beauvoir qui accueille depuis 1850 une carrière produisant 30.000 tonnes de kaolin par an destiné à la porcelaine ou au carrelage.
On estime actuellement que le gisement de Beauvoir recèle environ un million de tonnes d’oxyde de lithium, soit beaucoup plus que ce que les estimations initiales de 320 000 tonnes du BRGM. Selon Imerys, cela devrait permettre de produire 34 000 tonnes d’hydroxyde de lithium par an à partir de 2028 pour une durée d’au moins 25 ans, et équiper l’équivalent de 700 000 véhicules électriques en batteries lithium-ion par an.

Une telle infrastructure devrait être très positive au niveau de l’emploi. On parle de 1000 emplois directs et indirects en Auvergne-Rhône-Alpes, sur deux sites : la mine d’extraction souterraine du mica contenant le lithium, entre 75 et 350 mètres de profondeur, et une usine de purification des minéraux et de transformation en hydroxyde de lithium, à moins de 100 kilomètres de la mine.

Comme indiqué plus haut, le projet se veut exemplaire sur le plan environnemental et climatique. Imerys a annoncé que la mine adopterait un standard international en cours d’élaboration – IRMA – qui vise à réduire les rejets toxiques et à minimiser la consommation d’eau. reste à savoir ce qu’en pensent les écologistes qui ne se sont pas encore exprimés.

Source: Médias français.

N’étant pas du tout spécialiste de ce domaine, je me garderai bien de formuler des critiques sur le projet français d’extraction et de traitement du lithium. J’ai attiré l’attention dans plusieurs notes (celle du 12 novembre 2018, en particulier) sur l’impact environnemental désastreux de l’exploitation du lithium en Amérique du Sud. Il semblerait toutefois que de nouvelles techniques de traitement du minerai soient en train de se mettre en place, comme je l’ai expliqué le 20 septembre 2022 dans un article sur la Salton Sea en Californie…

Vue de la mine de Beauvoir (Source: Imerys)

Prévision de la trajectoire des coulées de lave // How to predict the path of lava flows

Les volcans effusifs avec leurs longues et spectaculaires coulées de lave ne sont pas les plus dangereux au monde. Ils sont bien moins menaçants que leurs homologues explosifs dont les coulées pyroclastiques peuvent détruire des villages entiers et tuer leurs habitants.
L’éruption actuelle du Piton de la Fournaise à La Réunion est tout à fait inoffensive. La lave coule calmement à l’intérieur de l’Enclos qui est une zone désertique.

Cependant, les coulées de lave peuvent devenir un danger si elles se dirigent vers des zones habitées. Il est peu probable qu’elles tuent des personnes, mais elles peuvent endommager ou même détruire des bâtiments et des maisons d’habitation. C’est la raison pour laquelle la prévision de la trajectoire empruntée par les coulées de lave peut être très importante dans certaines parties du monde. Par exemple, lorsque des coulées de lave dévalent les flancs du Kīlauea ou du Mauna Loa, les habitants d’Hawaii et les services d’urgence veulent savoir à quoi s’attendre.
Lors de l’éruption du Kilauea en 2018, la lave émise par 24 fractures a recouvert plus de 3 200 hectares dans le district de Puna et plus de 700 structures ont été détruites. Ces chiffres soulignent la nécessité de prévoir l’avancée des coulées de lave pour aider la Protection Civile, les habitants et le personnel de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO).
Des prévisions très précises pour d’autres risques naturels tels que les ouragans, les inondations, la sécheresse et même la propagation du vog (brouillard volcanique) du Kilauea sont désormais monnaie courante. La prévision de la trajectoire emprunté par les coulées de lave pourrait également s’avérer très utile.
La réussite des prévisions pour les autres risques naturels repose sur la capacité à simuler des flux d’eau ou d’air. Même si le mouvement de ces fluides est généralement beaucoup plus complexe que celui de la lave, nous avons beaucoup plus d’informations sur le comportement de l’eau et de l’air que sur celui de la lave en tant que matériau. En effet, nous ne pouvons pas voir à l’intérieur d’une coulée de lave pour observer ce qui se passe sous la surface, alors que c’est possible pour l’eau et l’air. [NDLR: De la même façon, au cours de ma conférence sur les glaciers, je fais souvent remarquer que l’étude de leur comportement est plus facile que celui du magma car tout se passe en surface].
Les chercheurs appliquent les principes de la dynamique des fluides aux coulées de lave depuis plus de 40 ans, mais la plupart des simulations sont trop lentes à mettre en place lors d’une crise éruptive, quand on veut vraiment savoir quelle direction la lave va emprunter et à quel moment elle atteindra une zone précise.
Pour essayer de répondre à cette question, les scientifiques du HVO prévoient depuis de nombreuses années la trajectoire globale des coulées de lave en utilisant le principe de la pente la plus raide. Dans de nombreux cas, ces prévisions fonctionnent assez bien; cependant, cette méthode ne peut pas déterminer à elle seule quand la lave atteindra une certaine zone. Elle prévoit la trajectoire de la lave, mais ne prend pas en compte sa vitesse, ni la longueur finale de la coulée.
Pour essayer de répondre à ces questions, les scientifiques de l’USGS ont mis au point un nouveau modèle de prévision des coulées de lave basé sur la simulation de la lave pendant qu’elle s’écoule à travers la topographie réelle, tout en se refroidissant et en se solidifiant. Ce modèle est conçu avec une physique simplifiée mais réaliste; il permet de réaliser en quelques minutes sur un ordinateur portable la simulation de 24 heures de progression de la lave.
Cependant, une seule simulation de ce type ne fournit pas suffisamment d’informations. En l’exécutant plusieurs fois avec une gamme d’entrées de données, on obtient de bien meilleurs résultats. Il s’agit d’une technique couramment mise en oeuvre dans la prévision de conditions météorologiques extrêmes telles que les ouragans et elle fait aujourd’hui partie des techniques de pointe dans la recherche sur les risques volcaniques. Les scientifiques du HVO s’efforcent de produire des ensembles à l’aide de ce nouveau modèle. Leur but est de prévoir avec succès les zones menacées par la lave lors des prochaines éruptions.
Bien que nous ignorons encore beaucoup de choses sur le comportement d’un volcan, nous sommes capables de faire des prévisions à court terme. Ces prévisions, même sur de courtes périodes, donnent aux personnes susceptibles de se trouver sur la trajectoire des coulées de lave la possibilité de se préparer à d’éventuelles évacuations.
Source : USGS, HVO.

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Effusive volcanoes with their long and spectacular lava flows are not known as the most dangerous volcanoes in the world. They are far less threatening than their explosive counterparts whose pyroclastic flows can destroy whole villages and kill their inhabitants.

The current eruption of Piton de la Fournaise on Reunion Island is definitely harmless. Lava flows calmly within the Enclos which is a desert area.

However, lava flows can become a danger if they head towards populated areas. They are unlikely to kill people but thay can damage or even destroy structures and houses. This is the reason why forecasting the path of lava flows can be very important in some parts of the world. For instance, when lava flows break out on the flanks of Kīlauea or Mauna Loa, Hawaii residents and emergency agencies want to know what to expect.

During the 2018 Kilauea eruption, lava from 24 fissures inundated more than 3,200 hectares of land in the Puna District and more than 700 structures were destroyed. Such figures highlight the need for forecasting the advance of lava flows to help emergency managers, residents, and Hawaiian Volcano Observatory (HVO) staff.

Highly accurate forecasts for other natural hazards such as hurricanes, flooding, drought, and even the spread of vog from Kilauea are now commonplace. Forecasting the route taken by lava flows might also prove very useful.

The most successful forecasting efforts for other natural hazards rely on the ability to simulate flows of water or air. Even though the motion of these fluids is typically much more complex than that of lava, we know a great deal more about water and air than lava as a material. We can’t see inside a lava flow to observe what is happening below the surface the way we can for water and air.

Although researchers have been applying the principles of fluid dynamics to lava flows for more than 40 years, most simulations are too slow to use during a crisis when we really want to know where the lava headed and when it will reach a certain area.

To help answer that question, HVO scientists have for many years forecasted the general path of lava flows using the principle of steepest descent. In many cases, these forecasts have worked really well; however, this method can’t by itself determine when lava will reach a certain area because it predicts only the route, not the speed or the flow’s final length.

To help answer these questions, USGS scientists are developing a new lava flow forecasting model based on the simulation of lava as it flows across real topography while cooling and solidifying. This model is designed with simplified, but realistic physics, enabling the simulation of 24 hours of lava advance in as little as a couple of minutes on an ordinary laptop.

However, a single simulation does not provide much information. By running it many times with a range of inputs, the collection of all these models can give a much better idea of the range of possible outcomes. This has been a common practice in forecasting hazardous weather such as hurricanes for many years and is now the cutting edge in volcanic hazards research. HVO scientists are investigating how to produce ensembles using this new model, with the goal of successfully forecasting lava inundation during future eruptions.

Although there is a great deal we do not know about what a volcano is about to do, we can make some short-term forecasts based on what is currently happening. These forecasts, even over short periods of time, give people in the path of lava flows the ability to plan and get ready for possible evacuations.

Source: USGS, HVO.

Coulée de lave sur le Kilauea en 2018 (Crédit photo: HVO)

 

Exemple de simulation de l’avancée d’une coulée de lave émise par la Fissure 22 lors de l’éruption du Kīlauea en 2018. Les contours de couleur montrent le front de coulée de lave par incréments d’une heure. La simulation a prévu l’entrée dans l’océan au bout de 22 heures. C’est à peu près le temps qu’a mis la lave dans la réalité. (Source: USGS)

Surveillance des petits geysers de Yellowstone // Monitoring of the small geysers of Yellowstone

Le Parc National de Yellowstone aux États-Unis possède la plus grande concentration de geysers au monde. Le plus populaire est sans aucun doute le Vieux Fidèle – Old Faithful – dont les éruptions se produisent de manière régulière. D’autres geysers comme le Castle Geyser ou le Steamboat Geyser se manifestent, eux aussi, de manière spectaculaire, mais il est plus difficile de prévoir ces événements. Les autres geysers du parc entrent en éruption quand ils en ont envie. Ces éruptions peuvent se produire soudainement et violemment et devenir un danger pour les visiteurs qui se trouveraient à proximité.
Le principe de fonctionnement des geysers est bien connu. L’eau de surface (pluie ou neige) s’infiltre dans la terre. Lorsqu’elle s’approche d’une source de chaleur comme une chambre magmatique, elle est peu à peu portée vers son point d’ébullition, mais les conditions de pression qui règnent en profondeur sont si extrêmes qu’elles empêchent l’eau d’entrer en ébullition et de s’évaporer. A l’approche de la surface, la pression chute considérablement et l’eau peut alors entrer subitement en ébullition. Se faisant, elle se change rapidement en vapeur et occupe tout d’un coup un volume bien plus important qu’elle ne le faisait à l’état liquide. Cela se traduit en surface par des jets de vapeurs et fumerolles, par des bassins d’eau bouillonnante, mais aussi par des éruptions d’eau et de vapeur : les geysers !

Le Porkchop Geyser dans le Norris Geyser Basin était autrefois une petite source chaude qui se manifestait parfois sous forme d’un geyser. Cependant, en 1985, le comportement du geyser a changé. Il a commencé à envoyer des panaches d’eau à 6 ou 10 mètres de hauteur à partir d’un cratère sec le plus souvent. On entendait parfois le grondement des explosions à plus d’un kilomètre de distance et, en hiver, les panaches de vapeur formaient des cônes de glace de plus de 6 mètres de hauteur. Puis, dans l’après-midi du 5 septembre 1989, le geyser a de nouveau changé son comportement avec des jets d’eau chaude de 15 à 25 mètres de hauteur. Puis il a carrément explosé. L’explosion a arraché des roches et envoyé des matériaux plus petits à plus à 60 mètres de distance, laissant derrière elle un cratère de 3 mètres de diamètre. Heureusement, il n’y avait personne à proximité et il n’y eut aucun blessé.
Les scientifiques de l’Observatoire Volcanologique de Yellowstone, de l’Université de l’Utah et de l’Université du Wyoming ont mis en place un réseau de sismomètres, de stations GPS et de jauges dans les rivières du parc. L’objectif est de comprendre comment se comporte la caldeira de Yellowstone et de prévoir tout changement significatif.
Aujourd’hui, les volcanologues de Yellowstone veulent essayer de mieux comprendre les zones géographiques plus réduites comme le Norris Geyser Basin qui présentent plus de risques que les manifestations éventuelles et peu probables du super volcan. Cela fait partie d’un nouveau plan décennal de l’Observatoire visant à améliorer la surveillance et l’évaluation des risques liés à l’activité volcanique, hydrothermale et sismique à Yellowstone. Ce plan se décompose en deux volets : « backbone » et suivi de l’activité hydrothermale.
La surveillance backbone ou «épine dorsale» comprend le renforcement du système déjà en place à l’échelle de la caldeira. Le suivi de l’activité hydrothermale est nouveau. Son objectif est de contrôler l’activité dans les zones hydrothermales de Yellowstone afin de mieux la prévoir.
Dans les zones de petits geysers, les données de surveillance satellitaire indiquent que le sol peut se soulever pendant l’été lorsqu’il y a plus d’eau présente dans le sous-sol et s’affaisser à la fin de l’été lorsque cette eau s’est évacuée. Une surveillance plus étroite permettra de confirmer ce phénomène, mais indiquera aussi si un geyser isolé présente un comportement anormal comme ce fut le cas pour le Porkchop Geyser. De telles explosions hydrothermales se produisent lorsque l’eau se transforme en vapeur et doit immédiatement s’échapper vers la surface. Selon les scientifiques de Yellowstone, de telles explosions sont relativement courantes et se produisent une ou deux fois par an dans l’arrière-pays. Il s’agit d’un « risque sous-estimé » dans le Parc proprement dit et « bien plus important d’un point de vue humain qu’une éruption volcanique ». L’Observatoire Volcanologique de Yellowstone espère installer la première station de surveillance dans le Norris Geyser Basin en 2023.
Adapté d’un article du Jackson Hole News & Guide.

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Yellowstone National Park in the United States has the largest concentration of geysers in the world. The most popular is undoubtedly Old Faithful whose eruptions occur in a regular way. Other geysers like Castle Geyser or Steamboat Geyser erupt in a dramatic way but it is more difficult to predict these events. The other geysers in the park erupt when they feel like it. These eruptions may occur suddenly and violently and become a danger to visitors that would stand close by.

The operating principle of geysers is well known. Surface water (rain or snow) seeps into the ground. When it approaches a heat source such as a magma chamber, it is gradually brought to its boiling point, but the pressure conditions prevailing at these depths are so extreme that they prevent water from boiling and evaporating. Approaching the surface, the pressure drops considerably and the water can then suddenly boil. In doing so, it quickly changes into vapour and suddenly occupies a much larger volume than it did in the liquid state. This is reflected on the surface by jets of steam and fumaroles, by pools of bubbling water, but also by eruptions of water and steam called geysers.

The Porkchop Geyser in the Norris Geyser Basin was once a small hot spring that occasionally erupted. However, in 1985 the geyser’s behaviour changed. It started sending plumes of water 6 to 10 meters high from a mostly dry crater. The roaring sound of the explosion could occasionally be heard from more than one kilometer away, and in winter the spray created ice cones more than 6 meters high. Then, on the afternoon of September 5th, 1989, the geyser changed again with jets of hot water 15-25 meters tall. Then the geyser exploded. The blast uprooted rocks and sent smaller material more than 60 meters away, leaving a 3-meter-wide crater. Fortunately there was no one close enough to be hurt.

Scientists at the Yellowstone Volcano Observatory, thz University of Utah and University of Wyoming have set up a network of seismometers, GPS stations and stream gauges which measure the temperature, flow and chemistry of the park’s rivers. The goal is to understand how the Yellowstone Caldera is acting and predict any substantial changes.

Today, Yellowstone volcanologists are gearing up to try to better understand smaller geographies like the Norris Geyser Basin that pose a greater risk to human health and safety than less likely large-scale super volcano activity. This is part of the Volcano Observatory’s new 10-year plan to improve monitoring and hazards assessments of volcanic, hydrothermal and earthquake activity in the Yellowstone Plateau. That plan is broken down into two parts: “backbone” and hydrothermal monitoring.

“Backbone” monitoring includes beefing up the larger, caldera-wide system already in place. The hydrothermal monitoring is new. Its aim is to track activity within Yellowstone’s individual thermal areas and geyser basins in order to better forecast their activity.

In smaller geyser basins, satellite monitoring data indicates that the ground may rise during the summer when there’s more water present and fall in late summer when that water drains away. More detailed monitoring could confirm that, but also indicate that an individual geyser basin is doing something weird, like getting ready to explode, like Porkchop Geyser did. Such hydrothermal explosions are caused by water flashing to steam and immediately having to escape its container. According to Yellowstone scientists, such explosions are relatively common, happening once every year or two in the backcountry. They are an “under-appreciated hazard” in the front country and “one that’s far more important on human time scales than a volcanic eruption.” The Yellowstone Volcano Observatory hopes to set up the first geyser basin monitoring station in Norris Geyser Basin in 2023.

Adapted from an article in the Jackson Hole News & Guide.

Photos: C. Grandpey