Catégorie : Science

Viscosité du magma et prévision éruptive // Magma viscosity and eruptive prediction

Suite à l’éruption du Kilauea (Hawaii) en 2018, une nouvelle étude explique que la mesure précoce de la viscosité du magma pourrait aider à prévoir certaines éruptions volcaniques

L’éruption du Kilauea de 2018 a fourni aux scientifiques une occasion unique d’identifier de nouveaux facteurs permettant de prévoir le comportement du magma et les risques des futures éruptions ainsi que les dangers associés.

Une équipe de chercheurs de l’Université d’Hawaï a identifié un indicateur de viscosité du magma susceptible d’être mesuré avant une éruption. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature.

Les auteurs de l’étude expliquent que les propriétés du magma à l’intérieur d’un volcan affectent le déroulement d’une éruption. En particulier, sa viscosité est un facteur majeur qui influence le degré de dangerosité d’une éruption pour les localités à proximité. Il est bien connu que les magmas très visqueux déclenchent des explosions plus puissantes car les gaz peuvent difficilement s’échapper, ce qui entraîne une accumulation de la pression à l’intérieur du système d’alimentation du volcan. De plus, l’extrusion d’un magma plus visqueux donne naissance à des coulées de lave plus lentes. A Hawaï, le magma sort à des températures très élevées, ce qui explique sa grande fluidité et que les coulées de lave parcourent parfois de très longues distances.

Les chercheurs ont remarqué que la viscosité du magma n’est généralement évaluée qu’après une éruption, pas avant. C’est pourquoi ils ont essayé d’identifier les premiers indices de viscosité du magma. L’événement de 2018 a débuté avec une première phase d’activité dans la Lower East Rift Zone du Kilauea. La première des 24 fractures éruptives s’est ouverte début mai et l’éruption s’est poursuivie pendant trois mois. Cette situation a permis aux scientifiques d’obtenir une foule d’informations. En particulier, ils ont obtenu de nombreuses données sur le comportement du magma à haute et basse viscosité, ainsi que sur les contraintes pré-éruptives qui se sont exercées dans le substrat rocheux sous le Kilauea.

On sait que l’activité tectonique et volcanique provoque la formation de failles dans la roche qui constitue la croûte terrestre. Lorsque les contraintes géologiques agissent sur ces failles, les géologues peuvent mesurer leur orientation 3D et leur mouvement en analysant la sismicité. En étudiant ce qui s’est passé dans Lower East Rift Zone du Kilauea en 2018, ils ont pu déterminer que la direction des mouvements des failles dans cette zone avant et pendant l’éruption pouvait être utilisée pour estimer la viscosité du magma pendant les périodes précédant l’activité volcanique. Les chercheurs ont ainsi pu montrer qu’avec une surveillance digne de ce nom, ils peuvent établir une relation entre la pression et les contraintes dans le système d’alimentation d’un volcan et le mouvement en profondeur d’un magma plus visqueux. Ils pensent que de telles analyses permettront de mieux anticiper le comportement éruptif de volcans comme le Kilauea et de prendre des mesures adaptées à la situation.

Source: West Hawaii Today.

[Remarque personnelle: S’agissant du Kilauea, le processus éruptif est assez bien connu et ne réserve guère de surprises. Comme le volcan se trouve sur un point chaud et est alimenté par du magma à très haute température en provenance du manteau terrestre, la lave est en général très fluide avec des coulées de lave qui parcourent de longues distances et peuvent être destructrices, comme on l’a vu lors de l’éruption de 2018. Sur d’autres volcans du monde qui ont des magmas plus différenciés, une telle étude pourrait présenter un intérêt certain pour anticiper le comportement éruptif.

Vous pourrez également lire le résumé de l’étude que j’ai effectuée sur le processus de refroidissement de la lave sur le Kilauea:

https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/processus-de-refroidissement-de-la-lave-sur-le-kilauea-hawaii/]

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In the wake of Kilauea’s 2018 eruption in Hawaii, a new study explains that measuring magma viscosity early could forecast volcanic eruptions The 2018 Kilauea eruption provided scientists with a unique opportunity to identify new factors to help forecast the behaviour and associated hazards of future eruptions.

A team of researchers from the University of Hawaii identified an indicator of magma viscosity that can be measured before an eruption. Their findings were published in the journal Nature.

The authors of the study explain that the properties of the magma inside a volcano affect how an eruption will play out. In particular, its viscosity is a major factor in influencing how hazardous an eruption could be for nearby communities. It is well known that very viscous magmas are linked with more powerful explosions because they can block gas from escaping through vents, allowing pressure to build up inside the volcano’s plumbing system. Moreover, the extrusion of more viscous magma results in slower-moving lava flows. In Hawaii, magma comes out at very high temperatures, which accounts for its high fluidity and for lava flows travelling sometimes very long distances.

The researchers have noticed that magma viscosity is usually only quantified well after an eruption, not in advance. So, they have tried to identify early indications of magma viscosity that could help forecast a volcano’s eruption style.

The 2018 event included the first eruptive activity in Kilauea’s Lower East Rift Zone since 1960. The first of 24 fissures opened in early May, and the eruption continued for three months. This situation provided the scientists with unprecedented access to information. In particular, the event provided a wealth of simultaneous data about the behaviour of both high- and low-viscosity magma, as well as about the pre-eruption stresses in the solid rock underlying Kilauea.

It is known that tectonic and volcanic activity cause faults to form in the rock that makes up Earth’s crust. When geologic stresses cause these faults to move against each other, geoscientists measure the 3D orientation and movement of the faults using seismic instruments. By studying what happened in Kilauea’s Lower East Rift Zone in 2018, they determined that the direction of the fault movements in the lower East Rift Zone before and during the volcanic eruption could be used to estimate the viscosity of rising magma during periods of precursory unrest. The researchers were able to show that with robust monitoring that they can relate pressure and stress in a volcano’s plumbing system to the underground movement of more viscous magma. They think this will enable monitoring experts to better anticipate the eruption behaviour of volcanoes like Kilauea and to tailor response strategies in advance.

Source: West Hawaii Today.

[Personal note: As far as Kilauea is concerned, the eruptive process is fairly well known. As the volcano lies on a hotspot with magma coming at very high temperature from the Earth’s mantle, the lava is very fluid with long distance lava flows that can de destructive, as could be seen during the 2018 eruption. On other volcanoes in the world which have more differentiated magmas, a similar study could prove useful to predict the behaviour of the eruptions.

You can also read  the abstract of the study I made about the lava cooling process on Kilauea volcano: https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/processus-de-refroidissement-de-la-lave-sur-le-kilauea-hawaii/]

Eruption 2018 du Kilauea (Fissure 8) [Crédit photo : HVO]

Photo : C. Grandpey

L’Islande va stocker le CO2 dans le basalte // Iceland is going to store CO2 in basalt

Dans une note rédigée le 17 juin 2016, j’expliquais qu’une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université de Southampton avait participé au projet CarbFix, à côté d’une centrale géothermique dans la périphérie de Reykjavik. Cette centrale exploite une source de vapeur produite par le magma à faible profondeur, en sachant que du CO2 et des gaz soufrés d’origine volcanique sont émis en même temps que la vapeur. Le but est de capter le gaz et de le réinjecter dans le sous-sol. Le processus se fait avec un puits d’injection foré dans le soubassement basaltique. Les chercheurs séparent le dioxyde de carbone de la vapeur produite par la centrale et l’envoient vers un puits d’injection. Le dioxyde de carbone est injecté dans un tuyau qui de trouve lui-même logé à l’intérieur d’un autre tuyau rempli d’eau en provenance d’un lac situé à proximité. A plusieurs dizaines de mètres de profondeur, le dioxyde de carbone est libéré dans l’eau où la pression est si élevée qu’il se dissout rapidement. Ce mélange d’eau et de dioxyde de carbone dissous, qui devient très acide, est envoyé plus profondément dans une couche de roche basaltique où il commence à lessiver des minéraux comme le calcium, le magnésium et le fer. Les composants du mélange finissent par se recomposer et se minéraliser en roches carbonatées.

L’idée d’injecter du CO2 dans le substratum basaltique a fait son chemin depuis 2016 et la construction d’une installation de stockage et d’élimination du dioxyde de carbone – la première du genre au monde – est en passe de démarrer à Straumsvík, sur la Péninsule de Reykjanes. La structure, baptisée Coda Terminal, recevra du CO2 de l’Europe du Nord par bateau. Le projet devrait créer 600 emplois directs et indirects.

Le CO2 proviendra d’émetteurs industriels du nord de l’Europe et sera injecté dans le substrat basaltique où il se transformera rapidement en pierre grâce à la technologie Carbfix. En fonctionnement maximal, Coda Terminal pourra stocker chaque année 3 millions de tonnes de CO2.

En recevant du CO2 des pays voisins pour son stockage permanent dans le substrat basaltique, l’Islande joue un rôle de pionnier en Europe. Le CO2 sera acheminé par des navires spécialement conçus. Le transport du CO2 vers l’Islande est rendu possible par les faibles coûts associés au stockage sur la terre ferme. Coda Terminal sera le premier projet de stockage géologique à grande échelle en Europe à être réalisé sur la terre ferme. Dans une note publiée le 12 novembre 2020, j’avais indiqué que la Norvège avait l’intention de stocker le CO2 dans d’anciens gisements de gaz naturel sous la mer du Nord.

La technologie Carbfix sera par la suite utilisée pour transformer de façon permanente et en toute sécurité le CO2 en pierre, au plus profond du substrat rocheux basaltique. Coda Terminal pourra également stocker le CO2 en provenance des industries locales, ainsi que le CO2 capté directement dans l’air. La construction se fera en trois phases. Le forage des premiers puits est prévu pour 2022, avec pour objectif de démarrer l’exploitation en 2025 et d’atteindre la pleine capacité d’ici 2030.

Source: Iceland Monitor.

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In a post written on June 17th, 2016, I explained that a team led by a University of Southampton researcher was involved in the CarbFix project, located next to a geothermal power plant outside Reykjavik. This plant basically taps a source of steam above Iceland’s shallow magma chambers, but some volcanic CO2 and sulfur gas come along with it. The goal is to capture that gas and stick it back underground. That’s done with an injection well drilled down into basalt bedrock. The researchers separate the carbon dioxide from the steam produced by the plant and send it to an injection well. The carbon dioxide gets pumped down a pipe that’s actually inside another pipe filled with water from a nearby lake. Dozens of metres below the ground, the carbon dioxide is released into the water, where the pressure is so high that it quickly dissolves. That mix of water and dissolved carbon dioxide, which becomes very acidic, gets sent deeper into a layer of basaltic rock, where it starts leaching out minerals like calcium, magnesium and iron. The components in the mixture eventually begin to mineralize into carbonate rocks.

The idea to inject CO2 into the basalt bedrock has worked its way since 2016 and preparations are underway for the construction of a carbon dioxide storage and disposal facility – the first of its kind in the world – in Straumsvík, on the Reykjanes peninsula.

The facility, Coda Terminal, will receive CO2 from Northern Europe by ship. It is expected to create 600 jobs, directly and indirectly.

The CO 2 will be sourced from industrial emitters in Northern Europe and will be injected into the basaltic bedrock where it rapidly turns into stone via the Carbfix technology. At full scale, the Coda Terminal will provide an annual storage amounting to three million tonnes of CO2.

By receiving CO2 from neighbouring countries for permanent mineral storage, Iceland takes a pioneering role within Europe. The Coda Terminal will receive CO2 transported by specifically designed ships. The transport of CO2 to Iceland is enabled by the low costs associated with onshore mineral storage. In fact, the Coda Terminal will be the first large scale geological storage project in Europe that is carried out onshore. In a post published on November 12th, 2020, I indicated that Norway intended to store CO2 in former natural gas fields under the North Sea.

The Carbfix technology will then be used to permanently and safely turn CO 2 into stone, deep in within the basaltic bedrock. The Terminal will also be able to store CO2 from local industries, as well as CO2 captured directly from the air.

Construction will be done in three phases. Drilling of the first wells is planned for 2022, with the aim of beginning operation in 2025 and reaching full capacity by 2030.

Source : Iceland Monitor.

Source : Carbfix

Prévision éruptive par les variations thermiques d’un volcan // Eruptive prediction through the thermal fluctuations of a volcano

On peut lire sur le site web The Watchers un article intéressant sur une nouvelle méthode imaginée par des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA et de l’Université de l’Alaska (UA) et qui pourrait être utilisée pour essayer de prévoir les éruptions volcaniques.

Les volcanologues s’appuient en général sur des signes avant-coureurs tels que l’augmentation de l’activité sismique, des changements dans les émissions gazeuses et la déformation du sol pour dire qu’un volcan est susceptible d’entrer en éruption. Cependant, la prévision éruptive est difficile car chaque volcan possède un comportement qui lui est propre. La situation est d’autant plus complexe qu’un petit nombre de volcans actifs dans le monde possèdent des systèmes de surveillance dignes de ce nom.

À l’aide de données satellitaires, les scientifiques du JPL et de l’UA ont proposé une nouvelle méthode qui pourrait rendre la prévision volcanique plus fiable. Elle se base sur une augmentation subtile mais significative des émissions de chaleur autour d’un volcan dans les années qui précèdent une éruption. Cela permet de constater qu’un volcan s’est réveillé, souvent bien avant l’apparition des autres signes mentionnés ci-dessus.

L’équipe scientifique a analysé plus de 16 années de données sur le rayonnement thermique capté par les instruments MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) à bord des satellites Terra et Aqua de la NASA sur plusieurs types de volcans qui sont entrés en éruption au cours des 20 dernières années. En dépit du fait que l’on a affaire à différents types de volcans, les résultats sont identiques. Dans les années précédant une éruption, la température de surface émise par la majorité des volcans a augmenté de 1°C par rapport à son état normal. Elle a ensuite diminué après chaque éruption.

Les scientifiques pensent que cette hausse de température peut résulter de l’interaction entre les systèmes hydrothermaux et les réservoirs magmatiques. Lors de l’ascension du magma à l’intérieur de l’édifice volcanique, les gaz se diffusent à la surface et peuvent dégager de la chaleur. De même, ce dégazage peut favoriser la remontée des eaux souterraines et la circulation hydrothermale, ce qui peut faire s’élever la température du sol.

Cette approche pourrait fournir de nouvelles informations sur le comportement des volcans, en particulier si on l’associe à des informations provenant d’autres satellites et  d’autres modèles. Les chercheurs ont découvert que les données thermiques se superposaient aux données semblables de déformation, mais avec un certain décalage dans le temps.

Bien que cette nouvelle méthode de prévision éruptive ne réponde pas à toutes les questions, elle ouvre la porte à de nouvelles approches de télédétection, en particulier pour les volcans isolés ou éloignés, souvent dépourvus de systèmes locaux de surveillance. .

Il faut noter que les mesures InSAR de déformation de la surface du sol permettent également aux observatoires volcanologiques du monde entier d’identifier les volcans les plus susceptibles d’entrer en éruption, ainsi que ceux qui devraient être instrumentés pour des observations plus approfondies.

Référence: « Large-scale thermal unrest of volcanoes for years prior to eruption » – Girona, T., et al. – Nature Geoscience.

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One can read on the website The Watchers an interesting article about a new method that could be used to try and predict volcanic eruptions.

Scientists at NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) and the University of Alaska (UA) have developed a new method that may lead to earlier predictions of volcanic eruptions.

Up to now, volcanologists have referred to warning signs such as an increase in seismic activity, changes in gas emissions, and sudden ground deformation to say that a volcano was likely to erupt in the future. However, forecasting eruptions is difficult because each volcano displays its own behaviour. The situation is all the more complex as a small number of the world’s active volcanoes have monitoring systems in place.

Using satellite data, scientists at JPL and UA came up with a new method that might make volcanic prediction more reliable. It is is based on a subtle but significant increase in heat emissions over large areas of a volcano in the years leading up to its eruption. It allows to see that a volcano has reawakened, often well before any of the other signs have appeared.

The scientific team studied more than 16 years of radiant heat data from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometers (MODIS) instruments aboard NASA’s Terra and Aqua satellites for several types of volcanoes that erupted in the last 20 years. Despite the differences among the volcanoes, the results were the same. In the years leading up to an eruption, the radiant surface temperature over the majority of the volcanoes increased by 1°C from its normal state. Then, it decreased after each eruption.

Scientists believe that the thermal increase may result from the interaction between hydrothermal systems and magma reservoirs. When magma rises through a volcano, the gases diffuse to the surface and can give off heat. Similarly, this degassing can promote the up-flow of underground water and hydrothermal circulation, which can heat up soil temperature.

The new method may provide more insight into volcano behaviour, especially when combined with information from other satellites and models. The researchers found that the thermal time series very much mimicked the deformation time series but with some time separation.

Although the research does not answer all of the questions, it opens the door to new remote sensing approaches, especially for distant volcanoes which are devoid of local monitoring systems.

The InSAR ground-surface deformation measurements also help allow volcano observatories around the world to identify which volcanoes are most probably to erupt, as well as which should be instrumented for closer observations.

Reference : « Large-scale thermal unrest of volcanoes for years prior to eruption » – Girona, T., et al. – Nature Geoscience.

Image thermique du Parc National de Yellowstone (délimité en rouge). A gauche l’image du Parc en couleurs réelles. A droite l’image thermique avec les températures les plus élevées en blanc. (Source :  Goddard Space Flight Center de la NASA).

Yellowstone ne sera pas forcément le volcan le plus facile pour la détection des variations thermiques.

Effets de la cendre volcanique sur la santé // Effects of volcanic ash on human health

Les scientifiques pensent que l’éruption actuelle de La Soufrière de Saint-Vincent aura un impact plus important que celle de 1979 car elle n’a produit jusqu’à présent qu’environ le tiers des matériaux rejetés par le volcan il y a 42 ans. Il faut donc s’attendre à de nouvelles retombées de cendres, avec des effets dangereux mais bien connus sur la santé humaine. L’USGS a dressé une liste des effets de la cendre sur notre système respiratoire.

Au cours de certaines éruptions, les particules de cendre sont si fines qu’elles peuvent pénétrer profondément dans les poumons. Pendant une exposition prolongée, même les personnes en bonne santé peuvent ressentir une gêne thoracique accompagnée de toux et d’irritation des voies respiratoires. Les symptômes les plus courants à court terme comprennent une irritation du nez et de la gorge, parfois accompagnée d’une toux sèche. Les personnes souffrant de troubles thoraciques préexistants peuvent développer des symptômes bronchitiques sévères.

La pénétration des particules de cendre dans les voies respiratoires dépend en grande partie de la taille des particules. Les particules plus grosses (diamètre 10-100 µm) se logent dans les voies respiratoires supérieures, tandis que celles dans la gamme de taille 4-10 µm se déposent dans la trachée et les bronches. Des particules très fines (<4 µm de diamètre) peuvent pénétrer plus profondément dans les poumons, jusque dans la région alvéolaire.

Le dépôt de particules relativement grossières dans les voies respiratoires supérieures est principalement associé à des symptômes tels qu’une irritation du nez et de la gorge. On pense que le dépôt de particules plus petites dans la région thoracique (bronches et bronchioles) a pour conséquence des formes aiguës de la maladie telles que les crises d’asthme et la bronchite. Les particules très fines sont dites «respirables» et peuvent pénétrer profondément dans les poumons profonds, occasionnant des maladies respiratoires chroniques telles que la silicose.

Les éruptions les plus dangereuses sont celles générant des cendres à grains fins avec une teneur élevée en silice cristalline car ce minéral est susceptible de provoquer la silicose, une maladie associée à des professions telles que la taille de la pierre, la construction de routes et le travail dans les mines. Certains volcans produisent des quantités importantes de silice cristalline au niveau des dômes de lave qui peuvent s’effondrer en générant des cendres à grains fins en suspension dans l’air, et riches en silice cristalline.

L’éruption de Soufrière Hills à Montserrat en 1995 a généré des cendres au moment de l’effondrement du dôme. Elles contenaient jusqu’à 25% en poids de silice cristalline, ce qui a incité le gouvernement britannique à mettre en œuvre des contrôles pour minimiser l’exposition de la population.

Des études sur l’exposition de la population à la silice cristalline ont toutefois révélé que la majorité de la population n’est pas exposée à des concentrations atmosphériques suffisamment élevées pour être à risque de développer une silicose, mais un petit groupe d’individus (comme les travailleurs en extérieur) peut être à risque de développer une silicose légère.

Source: USGS.

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The ongoing eruption of St Vincent’s La Soufriere is expected to be bigger than in 1979 but has only so far produced about one-third of the new material that the volcano did 42 years ago. More ashfall is expected, with dangerous but well-known effects on human heath. USGS has made a list of respiratory effects.

In some eruptions, ash particles can be so fine that they are breathed deep into the lungs. With high exposure, even healthy individuals will experience chest discomfort with increased coughing and irritation. Common short-term symptoms include nasal and throat irritation, sometimes accompanied by dry coughing. People with pre-existing chest complaints may develop severe bronchitic symptoms.

Penetration of ash particles into the respiratory tract is largely dependent on particle size. Larger particles (10-100 µm diameter) lodge in the upper airways, while those in the 4-10 µm size range deposit in the trachea and bronchial tubes. Very fine (< 4 µm diameter) particles may penetrate deeper into the lungs, into the alveolar region. (see image above)

Deposition of relatively coarse particles in the upper airways is primarily associated with symptoms such as irritation of the nose and throat. Deposition of smaller particles in the thoracic region (bronchial tubes and bronchioles) is thought to be associated with acute disease outcomes such as exacerbation of asthma and bronchitis. Very fine particles are termed ‘respirable’ and may penetrate into the deep lungs where chronic, particle-related respiratory diseases, such as silicosis, are activated.

The most hazardous eruptions are those generating fine-grained ash with a high content of free crystalline silica, as this mineral has the potential to cause silicosis, an occupational disease associated with occupations such as stone-cutting, road and building construction and quarrying.

Some volcanoes mass-produce crystalline silica in lava domes which are prone to collapse, generating airborne fine-grained ash rich in free crystalline silica. At Soufrière Hills volcano, Montserrat, the 1995 eruption generated dome collapse ash composed of up to 25 wt.% crystalline silica, prompting the UK government to implement controls to minimise population exposure. However, comprehensive studies of population exposure to respirable crystalline silica have suggested that the majority of the population are not exposed to sufficiently high airborne concentrations to be at risk of developing silicosis, but a smaller group of individuals (such as outdoor workers) may be at risk of developing mild silicosis.

Source : USGS.