Catégorie : Science

Le glacier Korolev, un géant dans l’espace // Korolev Glacier, a giant in space

Quand on parle de volcans du système solaire, on évoque forcément Olympus Mons qui dresse ses quelque 22 500 mètres  en moyenne au-dessus des plaines environnantes. Il possède à son sommet une caldeira, immense elle aussi, d’environ 80 × 60 kilomètres. En fait, tout semble gigantesque sur la Planète Rouge. Il suffit d’observer les images du glacier Korolev diffusées par l’Agence Spatiale Européenne.

De forme circulaire, le cratère Korolev qui héberge le glacier se trouve sur le Planum Boreum, une plaine qui entoure le pôle nord de la planète. Il présente un diamètre de 81.4 kilomètres et contient un volume probable de glace estimé à 2 200 kilomètres cubes. Le cratère doit son nom à Sergei Korolev, un pionnier de la conquête spatiale et spécialiste de la conception des fusées dans les années 1960, époque où les Russes et les Américains s’étaient lancés dans une course effrénée dans l’espace.

Le plancher du cratère se trouve à environ 2 000 mètres sous la lèvre. L’épaisseur de glace à l’intérieur du cratère a été estimée à environ 1 800 mètres. Cette glace présente la forme d’un dôme d’un diamètre de 60 kilomètres.

La région a été photographiée en 2018 par l’orbiteur Mars Express et l’Agence Spatiale Européenne a réalisé une superbe animation avec ces images :

https://youtu.be/ICSUIJ6XaFI

Source : ESA

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When one mentions the volcanoes in the solar system, one inevitably evokes Olympus Mons, which raises 22,500 metres above the surrounding plains. It has an immense summit caldera, about 80 × 60 kilometres. In fact, everything seems gigantic on the Red Planet. We just need to look at the images of the Korolev Glacier released by the European Space Agency.

Circular in shape, the Korolev crater that hosts the glacier is located on Planum Boreum, a plain that surrounds the north pole of the planet. It has a diameter of 81.4 kilometres and contains a probable volume of ice estimated at 2,200 cubic kilometres. The crater owes its name to Sergei Korolev, a pioneer in space conquest and rocket design specialist in the 1960s, when the Russians and Americans were racing to space.

The crater floor is about 2,000 metres below the rim. The ice thickness inside the crater has been estimated to be around 1,800 metres. This ice is shaped like a dome 60 kilometres in diameter.

The region was photographed in 2018 by the Mars Express Orbiter and the European Space Agency produced a superb animation with these images:

https://youtu.be/ICSUIJ6XaFI

Source: ESA.

Vue du cratère et du glacier Korolev (Source : ESA)

La géochimie de la lave du Kilauea // The geochemistry of Kilauea’s lava

En 2011, quand j’ai travaillé sur le processus de refroidissement de la lave (voir le résumé de mon étude sous l’entête de ce blog) dans le Parc National des Volcans d’Hawaii, en relation avec le HVO, Jim Kawaikawa, alors en charge de l’Observatoire, m’a expliqué l’importance de l’analyse chimique de la lave dans le contexte de la prévision éruptive. Il m’a d’ailleurs remercié d’avoir publié les résultats concernant les échantillons de lave que j’avais prélevés sur le terrain.  

Chaque nouvelle éruption du Kilauea donne un aperçu de ce qui se passe à l’intérieur du volcan et en particulier du ou des réservoirs magmatiques. La récente éruption sommitale, qui a débuté le 20 décembre 2020, offre au HVO une fenêtre à l’intérieur du volcan et permet de mieux connaître l’origine du magma qui alimente l’éruption.

Pour savoir à quel endroit est stocké le magma et comment il se comporte avant une éruption, les scientifiques analysent la chimie des matériaux émis (minéraux, gaz dissous ou bulles de gaz). Les analyses renseignent sur la température du magma dans la chambre magmatique, le temps pendant lequel il est resté à l’intérieur du volcan avant d’arriver à la surface, et comment différents magmas (anciens ou juvéniles, plus froids ou plus chauds) ont pu se mélanger avant que le volcan entre en éruption.

Un moyen simple de répondre à ces questions est d’examiner la quantité de magnésium (Mg) à l’intérieur de la lave. Les géochimistes utilisent le magnésium (exprimé en MgO, ou oxyde de magnésium) pour déterminer la chaleur d’un magma qui indique le laps de temps mis pour atteindre la surface depuis la source. Des teneurs élevées en MgO indiquent des magmas juvéniles à haute température qui sont arrivés dans le réservoir superficiel du Kilauea peu de temps avant l’éruption. En revanche, des teneurs plus faibles en MgO reflètent des magmas plus anciens et plus froids qui sont restés stockés à l’intérieur du volcan pendant de plus longues périodes.

Les 20 et 21 décembre 2020, donc peu de temps après le début de la dernière éruption, des scientifiques du HVO ont travaillé en collaboration avec le laboratoire de l’Université d’Hawaï à Manoa et sa microsonde électronique pour mesurer le MgO dans la lave nouvellement émise. Elle présente une teneur en MgO d’environ 7% de son poids, ce qui est très proche de la composition du lac de lave au sommet du Kilauea en 2018. [NDLR : L’analyse la lave que j’avais prélevée en 2011 reéléit un taux de MgO équivalant à 7.34%]. Les dernières analyses montrent que l’éruption actuelle n’a pas débuté avec un magma juvénile venant d’entrer dans le réservoir sommital peu profond du Kilauea. L’éruption actuelle a probablement mis e jeu du magma en provenance de la même source superficielle qui a alimenté le lac de lave entre 2008 et 2018.

Les cristaux d’olivine – souvent présents dans les laves hawaïennes – contiennent également beaucoup de magnésium. Dans l’olivine, la teneur en Mg est exprimée en fonction de la teneur en forstérite (Fo), rapport entre la quantité de Mg et la teneur en fer (Fe) [Mg / (Mg + Fe) x100]. [ NDLR : De composition Mg2SiO4, la forstérite est le pôle pur magnésien de l’olivine]. Comme pour les verres, une plus grande teneur en Mg dans l’olivine (par exemple, plus de Fo) signifie que les cristaux se sont développés à partir de magmas plus chauds et plus récents. En revanche, si la teneur en olivine Fo est faible, cela indique que les cristaux se sont développés dans un magma plus froid. Les premiers cristaux d’olivine apparus dans les magmas les plus récents – et donc les plus chauds – sous le Kilauea ont généralement des teneurs en Fo de 88–90.

Sur le Kilauea, les cristaux d’olivine les plus récents, d’un diamètre d’environ 0,5 mm en général, ont des valeurs de Fo relativement faibles, autour de 82. Cela signifie que les cristaux se sont développés dans des magmas relativement froids stockés à faible profondeur, à quelques kilomètres sous la surface. Les cristaux sont également chimiquement homogènes, ce qui signifie qu’il n’y a pas de variations de la teneur en Fo entre leur centre et leur surface. Cela montre que le mélange entre les magmas plus chauds (avec une teneur en MgO élevée) et les magmas plus froids (avec moins de MgO) n’a pas eu lieu récemment au sommet du Kilauea.

D’une manière plus globale, la présence de verres à faible teneur en MgO et d’olivine homogène à faible teneur en Fo indique que du magma juvénile à haute température n’a pas été émis. Au lieu de cela, on a affaire à du magma plus ancien et plus froid. Il s’agit probablement d’un reste de magma de l’éruption de 2018 qui a maintenant atteint le sommet du Kilauea.

Source : USGS / HVO.

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In 2011, when I worked on the lava cooling process (see the summary of my study under the heading of this blog) in Hawaii Volcanoes National Park, in relation with HVO, Jim Kawaikawa, then in charge of the Observatory, explained to me the importance of the chemical analysis of the lava in the context of eruptive prediction. He also thanked me for posting the results of the lava samples I had collected in the field.

Each new eruption at Kilauea provides a glimpse into what is happening inside the volcano and its magma reservoirs. The recent summit eruption, which began on December 20th, 2020, provides HVO with a window  inside the volcano and allows to learn more about where the magma supplying the eruption is coming from.

To know about where magma is stored and how it moves prior to an eruption, geologists can measure the chemistry of erupted materials such as minerals, and dissolved gases or gas bubbles. The chemistry can tell them a lot about how hot the magma was at depth, how long it sat inside the volcano prior to arriving at the surface, and how different magmas (old vs. fresh, cooler vs. hotter) might have mixed together before erupting.

A simple way to start investigating is to look at how much magnesium (Mg) the lava contains.

Geochemists use Mg (expressed as MgO, or magnesium oxide) to determine how hot a magma is, which indicates how recently it arrived at Kilauea from its source. Higher MgO contents indicate “fresh” hot magmas entering Kilauea’s shallow reservoir shortly prior to eruption, whereas lower MgO contents reflect “older” and colder magmas that have been stored within the volcano for longer periods of time.

Shortly after the first tephra erupted on December 20th and 21st, 2020, HVO scientists worked with the electron microprobe lab housed at the University of Hawaii at Manoa to measure MgO in the new lavas. These have glass MgO contents of approximately 7 weight percent, which is very similar to the composition of Kilauea’s previous lava lake in 2018. This indicates that the current eruption did not begin with “fresh” hot magma entering Kilauea’s shallow summit reservoir. Instead, the eruption is likely drawing magma from the same shallow source that fed the 2008–2018 lava lake.

Olivine crystals – commonly found in Hawaiian lavas – also have a lot of Mg. In olivine, the abundance of Mg is expressed as the forsterite content (Fo), which is a ratio of how much Mg there is compared to the iron (Fe) content [Mg/(Mg+Fe)x100]. Similar to the glasses, higher Mg in olivine (for example, higher Fo) means that the crystals grew from hotter, fresher magmas. If the olivine Fo content is low, it tells scientists that the crystals grew in a cooler magma. The first olivine crystals to grow in the freshest, hottest magmas rising beneath Kilauea typically have Fo contents of 88–90.

Kilauea’s newest olivine crystals, which are typically about 0.5 mm in diameter, have relatively low Fo values of 82. This suggests that the crystals grew in relatively cool magmas stored at shallow depths, a few kilometres below the ground surface. The crystals are also chemically homogeneous, meaning that there are no changes in Fo content from the middle to the rim. This shows that mixing between hotter (higher MgO) and colder (lower MgO) magmas has not occurred recently at Kilauea’s summit.

Together, the low-MgO glasses and homogeneous, low-Fo olivine indicate that hot, fresh magma has not been erupted. Instead, these compositions reveal that older, “cooler” magma, possibly the left-over magma from 2018 eruption, is being emitted now at Kilauea’s summit.

Source: USGS / HVO.

Vue au microscope, le 26 décembre 2020, d’un échantillon de lave émise lors de la dernière éruption, avec cheveux et larmes de Pele.

Zoom sur l’image électronique de cette lave, où les niveaux de gris indiquent la teneur relative en fer. On aperçoit de très petits cristaux de clinopyroxène et de plagioclase à côté des vésicules.

Autre image électronique de la lave qui contient de petits cristaux d’olivine ainsi que des spinelles.

(Source : Université d’Hawaii à Manoa, USGS / HVO).

Mesure du dioxyde de soufre (SO2) en milieu volcanique // Measurement of sulphur dioxide (SO2) in volcanic environments

Le dioxyde de soufre (SO2) est l’un des principaux gaz émis par les volcans. L’éruption de la Lower East Rift Zone (LERZ) du Kilauea en 2018 a libéré d’énormes quantités de SO2 et tout l’archipel hawaïen a parfois été envahi par le brouillard volcanique, appelé localement vog. Aujourd’hui, avec l’éruption dans l’Halema’uma’u, les panaches de SO2 sont emportés par les alizés et ils perturbent la vie de la population dans les zones sous le vent. Il est donc important de savoir quelle quantité de ce gaz est émise pour comprendre les conséquences pour la santé humaine.

J’ai écrit une note sur les émissions de SO2 le 31 mai 2020. Les scientifiques du HVO donnent aujourd’hui plus de détails sur la technique de mesure de ce gaz.

Pour mesurer les émissions de SO2, les scientifiques du HVO commencent par monter un spectromètre ultraviolet (UV) sur la carrosserie d’une voiture ou la carlingue d’un avion. Dans la mesure où le SO2 est invisible et peut ne pas coïncider parfaitement avec les parties visibles du panache éruptif, ils déterminent l’endroit où le SO2 est susceptible de se trouver en fonction de la direction du vent.

Puis, en partant du ciel clair d’un côté du panache, ils balayent toute la largeur inférieure du panache et retrouvent le ciel clair de l’autre côté. Le spectromètre est d’abord orienté vers le ciel et, comme le SO2 absorbe les rayons UV, l’appareil détecte ensuite une quantité d’UV moins importante lorsqu’il se trouve sous le panache de gaz contenant du SO2. Le spectromètre mesure la quantité de SO2 qui se trouve au-dessus de lui dans une trajectoire verticale ; c’est la « longueur de trajet de concentration. » (concentration-path-length).

Cette longueur de trajet de concentration associe la concentration et le trajet en une seule unité, ppm ∙ m (parties par million par mètre). Un panache de 1 mètre d’épaisseur avec une concentration de 10 ppm de SO2 équivaut à 10 ppm ∙ m. Il en va de même pour un panache de 10 mètres d’épaisseur avec une concentration de seulement 1 ppm de SO2. La quantité de SO2 est la même, elle est simplement distribuée différemment.

Toutes ces mesures mises ensemble sur la largeur du panache fournissent des indications sur une section transversale de ce même panache et montrent quelle quantité de SO2 se trouvait au-dessus du spectromètre en chaque point de mesure. Cette section transversale qui incorpore la largeur du panache en mètres, permet de connaître la surface de gaz dans cette zone, avec des unités de ppm ∙ m2 (parties par million par mètre carré).

Une fois que les scientifiques ont calculé cette section transversale, ils utilisent la vitesse du panache (en mètres / seconde) pour déterminer le nombre de sections transversales – mais aussi la quantité de gaz – dans un certain laps de temps. Cela conduit à des unités de ppm ∙ m3 / s (parties par million par mètre cube par seconde), autrement dit un volume de gaz émis avec une certaine concentration de SO2 par seconde.

Dans la mesure où on sait combien pèse une molécule de SO2, on peut convertir ce volume en masse (en kilogrammes ou en tonnes), et on peut convertir les secondes en jours. C’est ainsi que procèdent les scientifiques pour déterminer les flux de SO2 qui sont généralement exprimés en tonnes / jour (t / j). Grâce aux résultats obtenus, les scientifiques du HVO peuvent comparer les émissions de SO2 de l’éruption actuelle avec celles des éruptions précédentes du Kilauea.

Ainsi, lorsque le HVO a commencé à utiliser des mesures UV en 1979, les émissions de SO2 au sommet du volcan atteignaient en moyenne 500 t / j ou moins. Entre 1983 et 2008, l’éruption du Pu’uO’o émettait en moyenne 2000 t / j. Après des émissions relativement élevées au début de l’éruption sommitale de 2008-2018, les émissions du lac de lave se sont stabilisées à près de 5 000 t / j tandis que les émissions du Pu’uO’o chutaient  à quelques centaines de t / j.

L’éruption de 2018 a eu des émissions très élevées, avec près de 200 000 t / j ; ce sont les émissions les plus élevées jamais enregistrées sur le Kilauea.

Après l’éruption de 2018, les émissions de SO2 du Kilauea ont chuté à une trentaine de tonnes par jour.

Au début de la nouvelle éruption en décembre 2020, les émissions de SO2 au sommet du Kilauea étaient de 30 000 à 40 000 t / j. Les services sanitaires ont mis en garde le public sur la mauvaise qualité de l’air et ses dangers pour la santé.

Après l’arrêt de l’activité dans la fissure nord de l’Halema’uma’u le 26 décembre 2020, les émissions de SO2 ont progressivement baissé pour atteindre environ 2500 t / j le 11 janvier 2021, signe que l’activité éruptive diminuait..

Source: USGS / HVO.

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Sulphur dioxide (SO2) is one of the main gases emitted by volcanoes. Kilauea’s Lower East Rift Zone (LERZ) eruption in 2018 released huge amounts of sulphur dioxide and the whole Hawaiian archipelago was sometimes invaded by the volcanic fog, or vog. Today, during the Halema’uma’u eruption, SO2 plumes are pushed by the trade winds and disturb life in downwind areas. So, it is important to know how much of this gas is emitted for understanding implications for human health during volcanic eruptions.

I wrote a post about SO2 emissions on May 31st, 2020. In a new article, HVO scientists give more details about how to measure this gas.

To measure SO2 emission rates, HVO scientists begin by mounting an ultraviolet (UV) spectrometer to a car or an aircraft. Since SO2 is invisible and may not perfectly coincide with visible parts of the plume, they determine where the SO2 should be based on wind direction.

Then, starting under clear sky on one side of the plume, they traverse underneath the entire width of the plume, and end up back under clear sky on the other side.

The spectrometer looks up at the sky and, because SO2 absorbs UV radiation, it detects less incoming UV when it is under the gas plume where there is SO2. It measures how much SO2 is above it in the vertical ‘path’ where the spectrometer is looking – the ‘concentration-path-length’.

Concentration-path-length combines concentration and path into a single unit, ppm∙m (parts per million meters). A 1-metre-thick plume with a concentration of 10 ppm (parts per million) of SO2 is equivalent to 10 ppm∙m. So is a 10-metre-thick plume with a concentration of only 1 ppm of SO2. The amount of SO2 is the same, it is just distributed differently.

All those concentration-path-length measurements put together across the plume’s width make a ‘slice’, or cross-section, through the plume, showing how much SO2 was above the spectrometer at each point. That slice, since it incorporates the plume width in metres, is the area of the gas in a cross-section of plume, with units of ppm∙m2 (parts per million square metres).

Once the scientists have that cross-section, they use plume speed (in metres/second) to determine how many of those cross-sections – and how much gas – are passing overhead in a certain amount of time. That brings them to units of ppm∙m3/s (parts per million cubic metres per second)—which is a volume of gas with a certain concentration of SO2 each second.

Because one knows how much a molecule of SO2 weighs, one can convert that volume into a mass (in kilograms or tonnes), and one can convert seconds to days. That is how scientists derive the emission rates of SO2, which are usually presented in units of tonnes/day (t/d).

With the results they obtain, HVO scientists are able to compare SO2 emission rates from the current eruption to those emitted by previous Kilauea eruptions.

When HVO began to use UV measurements in 1979, the summit averaged about 500 t/d of SO2 or less. Between 1983 and 2008, Kilauea’s Pu’uO’o eruption averaged around 2,000 t/d. After higher emission rates early in the 2008–2018 summit eruption, the lava lake emissions stabilized near 5,000 t/d while Pu’uO’o’s emissions fell to a few hundred t/d.

The 2018 eruption had very high emission rates of nearly 200,000 t/d, the highest recorded emissions from Kilauea. Following the 2018 activity, Kilauea emissions dropped to only about 30 t/d.

At the beginning of the new eruption in December 2020, Kilauea summit emission rates were 30,000–40,000 t/d. The Department of Health warned the public of potential hazardous, poor air quality. It advised residents and visitors to be prepared and aware of the surrounding conditions. Since the north fissure activity ceased on December 26, 2020, SO2 emissions have progressively dropped and reached about 2,500 t/d on January 11th, 2021, a sign that the eruption rate has decreased.

Source : USGS / HVO.

 

Panaches de gaz sur le Kilauea (Photos : C. Grandpey)

Un nouveau laboratoire pour le HVO (Hawaii) // New lab for HVO (Hawaii)

L’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO), géré par l’USGS, vient d’acquérir un nouveau laboratoire qui permettra aux scientifiques de mieux comprendre les propriétés physiques des téphras. Le mot « tephra » ou « téphra » fait référence à tous les types et toutes les tailles de fragments de roche projetés par un volcan en empruntant une trajectoire aérienne lors d’une éruption. Les téphras incluent les cendres, les bombes, les scories ou même les cheveux et les larmes de Pelé.

Ce nouveau laboratoire d’analyse de téphras permettra au HVO de déterminer la densité, la taille et la forme des particules, ainsi que les différents types de téphras émis par un volcan. En utilisant ces informations, les géologues du HVO seront en mesure d’analyser toute une gamme de phénomènes, depuis l’ascension du magma et le processus éruptif jusqu’aux dépôts de cendres laissés par les  éruptions du passé. Il est important d’obtenir ces mesures aussi précisément et rapidement que possible lors d’une éruption.

Le nouveau laboratoire du HVO est unique par sa capacité à analyser une vaste gamme d’échantillons, de un mètre à un micron (10-6 m). Le traitement des échantillons est non destructif et l’analyse est rapide. Chaque type de mesure ne prend que quelques minutes, et on estime que l’ensemble des mesures prend 1 à 2 heures. La méthode non destructive d’utilisation de ces nouveaux instruments est révolutionnaire ; elle permet aux chercheurs d’effectuer une suite complète d’analyses sur le même échantillon – au lieu d’utiliser différents échantillons du même matériau – pour une compréhension plus complète des éruptions. Cela permet également de préserver dans leur intégrité tous les  échantillons.

La première étape consiste à étudier les composants de l’échantillon afin de comprendre à quel type d’éruption les scientifiques sont confrontés.

Pour les échantillons de téphras prélevés directement sur le terrain, le HVO dispose de deux nouveaux stéréoscopes à lumière réfléchie. Lors de leur utilisation, les géologues peuvent séparer manuellement les différents composants de l’échantillon, tels que la lave juste prélevée, les cristaux, ou les petits morceaux de la paroi du cratère.

Au cours de l’étape suivante, les chercheurs mesurent la densité des échantillons. Pour les échantillons de lave, la mesure de la densité permet de comprendre quelle était la consistance du magma lors de son émission ; cela renseigne sur la dynamique de l’éruption. La densité de l’échantillon est déterminée en mesurant sa masse et son volume. Pour les morceaux de téphra de plus de cinq centimètres, le volume est calculé à l’aide d’un scanner 3D, puis l’échantillon est pesé. Les grains plus petits, depuis les lapilli jusqu’à la poudre de cendre, sont placés dans un pycnomètre à gaz, une machine qui calcule la densité directement en utilisant le principe d’Archimède de déplacement du volume en injectant de l’azote gazeux. Les pycnomètres fonctionnent aussi bien avec des scories et de la pierre ponce qu’avec des cendres ; ils permettent de comprendre la dynamique des éruptions.

La troisième étape est la mesure de la taille des échantillons, ce qui donne des informations sur la façon dont le magma s’est fragmenté pour produire des téphras pendant les épisodes de fontaines de lave et les explosions. Les fragments de plus de 3 centimètres sont tamisés à la main, de manière traditionnelle, tandis que les grains plus petits sont soumis à un Camsizer, un appareil de dernière génération qui photographie chaque fragment et convertit l’image en mesure de la taille. Le flux de particules passe devant une source de lumière stroboscopique LED ultra lumineuse et plane. Les Camsizers peuvent mesurer des dizaines de milliers de fragments en seulement 5 minutes. De plus, ils utilisent les images pour mesurer la forme 2D des fragments en utilisant des paramètres mathématiques établis. Les informations concernant la taille des fragments sont essentielles pour les modèles de fontaines de lave et de cendres.

L’étape finale peut prendre des semaines, voire des mois. Elle consiste à découper les échantillons en fines lamelles et à les étudier au microscope pétrographique. Le HVO possède deux nouveaux microscopes pétrographiques avec différents ensembles de lentilles: l’un peut évaluer la taille des bulles, la texture des bulles ainsi que la texture de mélanges de magmas, tandis que l’autre peut se concentrer sur les cristaux et les inclusions.

Les nouveaux instruments d’analyse de téphras que vient d’acquérir le HVO sont actuellement en cours d’étalonnage. Les échantillons prélevés pendant l’éruption en cours seront les premiers analysés. Ce nouveau laboratoire permet une analyse quasiment en temps réel des produits émis et donc une meilleure surveillance des éruptions.

Source: USGS / HVO.

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The USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has been granted a new laboratory that will allow scientists to better understand the physical properties of tephra.

Tephra is any type and size of rock fragment that is ejected from a volcano and travels an airborne path during an eruption. Examples include ash, bombs, scoria, or Pele’s hair and Pele’s tears.

The tephra lab will help HVO determine the density, size, and shape of individual tephra particles along with types of tephra. Using this information, HVO geologists can analyse a range of topics, from magma ascent and eruption processes to ashfall deposits from past explosive eruptions. It is important to get these measurements as accurately and quickly as possible during an eruption.

HVO’s new lab is unique in its ability to analyze a wide size range of samples, from one metre to one micron (10-6 m). The sample processing is non-destructive and analysis is fast with each type of measurement taking only minutes, and all measurements are estimated to take 1–2 hours total. The non-destructive nature of these new instruments and methods is revolutionary and allows researchers to perform a full suite of analyses on the same sample, instead of different samples of the same material for a more integrated understanding of eruptions. This also allows samples to be fully preserved.

The first step consists in studying the sample components. Componentry helps understand what type of eruption scientists are dealing with.

For tephra samples straight from the field, HVO has two new stereoscopes that use reflected light. Looking through them, geologists can manually separate the different components that might make up the sample, such as fresh glassy lava, crystals, and small pieces of the crater wall.

Next, the researchers measure density. For pieces of lava, measuring density helps understand how frothy the magma was when it erupted, which tells us about eruption dynamics.

Sample density is determined by measuring its mass and volume. For pieces of tephra larger than five centimetres, the volume is calculated using a 3D scanner, and then the sample is weighed. Smaller grains from gravel to powdery ash sizes will be placed in a pycnometer, a machine that calculates density directly using Archimedes principle of volume displacement with nitrogen gas. The pycnometers work with foams (scoria and pumice) as well as ash and helps understand eruption dynamics.

Then, the samples will be measured for size, which give information about how magma gets ripped apart to produce tephra from lava fountains and explosions. Fragments larger than 3 centimetres are sieved in the traditional manual way, while smaller grains will run through one of the new Camsizers ; this is a machine that photographs each fragment and converts the image to a size measurement. The Camsizers can measure tens of thousands of fragments in as little as 5 minutes. Additionally, they use the images to measure the 2D shape of fragments using established mathematical parameters. Size information is essential for models of lava fountaining and ashfall.

A final step that may take weeks to months. It consists in turning pieces into a thin section for final analysis on a petrographic microscope. HVO has two new petrographic microscopes with different sets of lenses: one can assess bubble sizes, bubble textures, and magma-mixing textures, while the other can focus on crystals and melt inclusions within them.

HVO’s new tephra lab instruments currently being calibrated. Samples from the current eruption will be the first analyzed. The HVO tephra lab brings physical volcanology monitoring of eruptions to near-real time analysis.

Source : USGS / HVO.

Photo : C. Grandpey