Une balise pour prévoir séismes, tsunamis et éruptions // A buoy to predict earthquakes, tsunamis and eruptions

Des géophysiciens de l’Université de Floride du Sud (USF) ont mis au point et testé avec succès une balise de haute technologie, utilisable en eau peu profonde, capable de détecter les moindres variations du plancher océanique, souvent annonciateurs de catastrophes naturelles dévastatrices, telles que les séismes, les tsunamis et les éruptions volcaniques.

Le système flottant, mis au point avec l’aide d’une subvention de 822 000 dollars allouée par la National Science Foundation, a été installé à Egmont Key dans le Golfe du Mexique en 2018 et a déjà livré des données sur le mouvement tridimensionnel du plancher océanique. Ainsi, il sera capable de détecter de petites variations de contrainte dans la croûte terrestre.
En attente de brevet, ce système de géodésie présente l’aspect d’une balise ancrée au fond de la mer et surmontée d’un GPS de haute précision. L’orientation de la balise est mesurée à l’aide d’une boussole numérique fournissant des informations sur le cap, le tangage et le roulis, ce qui permet de mesurer latéralement  les mouvements de la Terre et diagnostiquer les principaux séismes déclencheurs de tsunamis.
Bien que plusieurs autres techniques de surveillance des fonds marins soient actuellement disponibles, la technologie mise au point en Floride fonctionne généralement mieux dans les milieux océaniques profonds où les interférences sonores sont moindres. Les eaux côtières peu profondes (moins de quelques centaines de mètres de profondeur) constituent un environnement plus difficile à analyser, mais également important pour de nombreuses applications, notamment certains types de séismes dévastateurs. Les processus d’accumulation et de libération de contraintes au niveau de la croûte terrestre au large sont essentiels à la compréhension des puissants séismes et des tsunamis.
Le système flottant est relié au fond de la mer à l’aide d’un lest en béton et il a pu résister à plusieurs tempêtes, dont l’ouragan Michael dans le Golfe du Mexique. Le système est capable de détecter des mouvements du plancher océanique de seulement deux centimètres.
La technologie a plusieurs applications potentielles dans l’industrie pétrolière et gazière en mer et pourra être utilisée pour la surveillance de certains volcans. Toutefois, la principale application concerne l’amélioration de la prévision des séismes et des tsunamis dans les zones de subduction. Les puissants séismes et tsunamis qui ont frappé Sumatra en 2004 et le Japon en 2011 sont des événements que les scientifiques souhaiteraient mieux comprendre et prévoir.
Le système mis au point par l’Université de Floride est conçu pour les applications de zones de subduction de la Ceinture de Feu du Pacifique, où les processus d’accumulation et de libération de contraintes de l’écorce terrestre en mer sont actuellement mal connus. Les scientifiques espèrent pouvoir installer le nouveau système dans les eaux côtières peu profondes de l’Amérique Centrale, où se produisent souvent des tremblements de terre.
Le site d’Egmont Key où le système a été testé présente une profondeur de 23 mètres. Bien que la Floride ne soit pas sujette aux séismes, les eaux au large d’Egmont Key se sont avérées un excellent site de test. Ce lieu est exposé à de forts courants de marée qui ont permis de tester le système de correction de la stabilité et de l’orientation de la balise. La prochaine étape consistera à installer un système semblable dans les eaux plus profondes du Golfe du Mexique, au large de la côte ouest de la Floride.
Source: Université de Floride du Sud.

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University of South Florida (USF) geoscientists have successfully developed and tested a new high-tech shallow water buoy that can detect the small movements and changes in the Earth’s seafloor that are often a precursor to deadly natural hazards, like earthquakes, volcanoes and tsunamis.

The buoy, created with the assistance of an $822,000 grant from the National Science Foundation, was installed off Egmont Key in the Gulf of Mexico in 2018 and has been producing data on the three-dimensional motion of the sea floor.  Ultimately the system will be able to detect small changes in the stress and strain the Earth’s crust.

The patent-pending seafloor geodesy system is an anchored spar buoy topped by high precision Global Positioning System (GPS). The buoy’ orientation is measured using a digital compass that provides heading, pitch, and roll information – helping to capture the crucial side-to-side motion of the Earth that can be diagnostic of major tsunami-producing earthquakes.

While there are several techniques for seafloor monitoring currently available, that technology typically works best in the deeper ocean where there is less noise interference. Shallow coastal waters (less than a few hundred metres deep) are a more challenging environment but also an important one for many applications, including certain types of devastating earthquakes. Offshore strain accumulation and release processes are critical for understanding powerful earthquakes and tsunamis.

The experimental buoy rests on the sea bottom using a heavy concrete ballast and has been able to withstand several storms, including Hurricane Michael up the Gulf of Mexico. The system is capable of detecting movements as small as one to two centimetres.

The technology has several potential applications in the offshore oil and gas industry and volcano monitoring in some places, but the big one is for improved forecasting of earthquakes and tsunamis in subduction zones. The giant earthquakes and tsunamis in Sumatra in 2004 and in Japan in 2011 are examples of the kind of events scientists would like to better understand and forecast in the future.

The system is designed for subduction zone applications in the Pacific Ocean’s “Ring of Fire” where offshore strain accumulation and release processes are currently poorly monitored. One example where the group hopes to deploy the new system is the shallow coastal waters of earthquake prone Central America.

The Egmont Key test location sits in just 23 metres depth.  While Florida is not prone to earthquakes, the waters off Egmont Key proved an excellent test location for the system. It experiences strong tidal currents that tested the buoy’s stability and orientation correction system. The next step in the testing is to deploy a similar system in deeper water of the Gulf of Mexico off Florida’s west coast.

Source: University of South Florida.

Vue de la balise haute technologie mise au point par l’Université de Floride (Source : USF)

Vue du site d’Egmont Key, sur la côte ouest de la Floride, où la balise a été testée (Source : Google maps)

Une histoire de bouées // A story of buoys

Aujourd’hui, les scientifiques sont capables de suivre le déplacement des vagues de tsunamis à l’aide d’un réseau de bouées installées à la surface de l’océan. On a pu constater leur efficacité lors du séisme de M 7,9 enregistré le 23 janvier 2018 dans le Golfe d’Alaska. Malgré tout, il arrive que ces bouées connaissent certains problèmes, sans pour autant perturber le fonctionnement de l’ensemble du réseau.

Ainsi, un couple de l’Oregon a découvert une de ces bouées sur la côte, le matin de l’alerte tsunami déclenchée suite au séisme dans le Golfe d’Alaska. Selon le National Weather Service, il se peut qu’elle se soit  détachée de son ancrage à environ 400 km à l’ouest d’Astoria le 4 octobre 2017. Elle a dérivé pendant des mois, poussé par les vents, les courants et les vagues. La NOAA a déclaré que la bouée était l’une des 32 stations de signalement de tsunamis (DART) installées en haute mer autour de la Ceinture de Feu dans l’Océan Pacifique.
Les systèmes DART se composent d’un enregistreur de pression ancré sur le plancher océanique et d’une bouée en surface pour les communications en temps réel. Un lien acoustique transmet les données de l’enregistreur de pression sur le fond marin à bouée à la surface de l’océan. En cas de tsunami, l’enregistreur reconnaît un changement de fréquence et de pression. Il envoie un signal à la bouée qui envoie à son tour par satellite une alerte au Tsunami Warning Center à Hawaii. Les bouées sont attachées à au moins une ancre par une corde en nylon. Elles sont entretenus tous les quatre ans ou plus tôt, selon le lieu où elles se trouvent. On ne sait pas comment la bouée découverte par le couple s’est détachée de son ancrage.

Alors qu’une bouée s’échouait sur la côte de l’Oregon, une autre dans le Golfe d’Alaska ne faisait pas son travail correctement et communiquait de fausses informations. La bouée de la station 46410, un collecteur de données en haute mer, annonçait un tsunami qui n’existait pas ! Les personnes qui se sont connectées au site du National Data Buoy Center ont pu voir pendant quelques minutes que la bouée indiquait un pic de couleur rouge et annonçait un déplacement d’eau de 10 mètres !
Comme je l’ai écrit plus haut, les bouées sont censées indiquer le déplacement vertical d’une colonne d’eau, mais pas nécessairement la hauteur des vagues. Voici ce qui s’est passé, selon un scientifique :
« La station en question se trouve à environ 50 km de l’épicentre. Le pic soudain montré par le déplacement de l’eau juste après le séisme reflète probablement l’énergie sismique qui s’est libérée très brutalement, mais pas le déplacement d’une vague. Les séismes génèrent des ondes de Rayleigh (voir ci-dessous), c’est-à-dire des mouvements qui sont intenses à proximité de la source et diminuent sur la distance. » Le scientifique est à peu près certain que c’est ce phénomène que l’enregistreur a capté.

Il faut remarquer que ces bouées sont utiles pour indiquer le déplacement des vagues de tsunami quand l’épicentre du séisme se situe loin des côtes, comme ce fut le cas le 23 janvier dernier. Si, par malheur, l’épicentre se trouve à quelques dizaines de kilomètres seulement, il sera très difficile d’alerter les populations côtières et elles n’auront guère le temps de se réfugier sur les hauteurs.

Source: Presse américaine.

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Today, scientists are able to track the movement of tsunami waves using a network of buoys installed on the surface of the ocean. Their effectiveness was remarkable during the M 7.9 earthquake of January 23, 2018 in the Gulf of Alaska. Nevertheless, sometimes these buoys have some problems, without disrupting the operation of the entire network.

An Oregon couple found a tsunami buoy on the coast, ironically on the morning of the tsunami watch triggered by the M 7.9 earthquake in the Gulf of Alaska on January 23rd 2018. .

According to the National Weather Service, it could be a buoy that broke from its mooring approximately 400 km west of Astoria on October 4th. It drifted for months, pushed by wind, currents and waves. NOAA said the buoy was one of 32 Deep-ocean Assessment & Reporting of Tsunamis (DART) stations positioned around the Ring of Fire in the Pacific Ocean.

DART systems consist of an anchored seafloor bottom pressure recorder (BPR) and a companion moored surface buoy for real-time communications. An acoustic link transmits data from the pressure recorder on the seafloor to the surface buoy. In the event of a tsunami, the recorder recognizes a change in frequency and pressure. It sends a signal to the buoy, which sends an alert to the Tsunami Warning Center via satellite. The buoys are tethered to at least one anchor by a nylon rope. They receive maintenance every four years or sooner, depending on the location. It’s not clear how the buoy broke free.

While a buoy landed on the coast in Oregon, another one in the Gulf of Alaska failed to do its job properly and communicated wrong information. The buoy at station 46410, a deep-ocean data collector, predicted a tsunami that was not. Anybody logging onto the National Data Buoy Center site for a short interval could see that the buoy showed a red spike and a 10-metre water displacement.

As I put it above, the buoys measure how the entire water column moves up and down, not necessarily wave height. Here is what happened, according to a tsunami scientist:

“That station is about 50 km from the epicenter. The sudden spike in water displacement so soon after the quake probably reflected the burst of seismic energy released, not a wave. Earthquakes generate Rayleigh waves (see below), i.e.undulating motions intense near the source and diminishing over distance.” The scientist is pretty sure that was what the recorder picked up.

It should be noted that these buoys are useful to indicate the displacement of tsunami waves when the epicentre of the earthquake is located far from the coast, as was the case on January 23rd. If, unfortunately, the epicentre is only a few dozen kilometres away, it will be very difficult to warn the coastal population and they will have little time to take refuge on high points.

Source: U.S. newspapers.

Bouée de détection de tsunamis (Crédit photo: NOAA)

Propagation des ondes de Raleigh (Source: NOAA)