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Volcans sous-marins, subduction et séismes// Seamounts, subduction and earthquakes

Selon une nouvelle étude conduite par des chercheurs de l’Université de Memphis, et publiée en novembre 2023 dans le Journal of Geophysical Research : Solid Earth, un ancien volcan – ou mont – sous-marin (seamount en anglais) à cheval sur une plaque tectonique en train de s’enfoncer par subduction au large des côtes japonaises pourrait avoir déclenché plusieurs séismes majeurs inexpliqués par frottement contre une autre plaque tectonique située au-dessus.
Le volcan sous-marin éteint, connu sous le nom de Daiichi-Kashima Seamount, se trouve sur la plaque tectonique Pacifique, à environ 40 kilomètres de la côte est du Japon. C’est là que se rencontrent trois plaques tectoniques : la plaque Pacifique à l’est et la plaque Philippine au sud, qui glissent toutes deux sous la plaque Okhotsk au nord.

Contexte tectonique au Japon (Source : Wikipedia)

Le Daiichi-Kashima Seamount se trouve sur une partie de la plaque qui a commencé à s’enfoncer dans le manteau terrestre il y a entre 150 000 et 250 000 ans. Toutefois, ce volcan sous-marin est encore suffisamment proche de la surface – moins de 50 km de profondeur – pour déclencher des séismes. Alors que la majorité de l’activité sismique autour du Daiichi-Kashima Seamount se manifeste par de petites secousses, on a aussi enregistré plusieurs séismes avec des magnitudes M 7,0 et 7,8 en 1982 (M 7,0), 2008 (M 7,0) et 2011 (M 7,8). Jusqu’à présent, personne n’avait réussi à expliquer les causes de leur déclenchement.
Lorsqu’une plaque tectonique s’enfonce sous une autre plaque, les volcans sous-marins (seamounts) qui se trouvent à sa surface frottent la base de la plaque qui les surmonte. Une étude de 2008 a expliqué que ce frottement était trop faible pour déclencher de puissants séismes : il ne génère que de très petites secousses.

Source : ScienceDirect

Cependant, des données plus récentes laissent supposer le contraire. Les données sismiques recueillies au fond de l’océan au Japon indiquent que les monts sous-marins rencontrent une énorme résistance lorsqu’ils se déplacent à la surface d’une plaque subductrice et restent parfois bloqués. On peut lire dans l’étude que « le mont sous-marin lui-même est quasiment immobile, car il doit faire fasse à de très forts frottements. »
À mesure que le volcan sous-marin s’enfonce sous la plaque qui le surmonte, les contraintes s’accumulent sur son bord d’attaque. La zone située autour du volcan sous-marin se verrouille tandis que le reste de la plaque subductrice continue sa descente dans le manteau terrestre. « Les contraintes deviennent très fortes et au bout d’un certain temps, elles migrent vers l’intérieur. « Cette accumulation de contraintes ne peut pas continuer indéfiniment, et une libération brutale se produit lorsque le volcan sous-marin se libère brusquement de la plaque qui le surmonte. La plaque dominante donne un à-coup dans la direction opposée, ce qui déclenche un nouveau type de séisme que les auteurs de l’étude ont appelé « séisme de blocage ».
Des séismes de blocage ont peut-être déclenché des tsunamis dans le passé. Les dépôts de sédiments le long de la côte Est du Japon indiquent que d’énormes vagues ont frappé le littoral en 1677, après qu’un séisme ait secoué une zone de chevauchement avec le Daiichi-Kashima Seamount. Selon l’étude, « la rupture du volcan sous-marin en processus de subduction constitue la source la plus probable de ces grands séismes déclencheurs de tsunamis ».

Volcan sous-marin Minami Kasuga-2 dans l’océan Pacifique (Source : Université de Memphis)

Source  : Live Science.

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According to a new study by University of Memphis researchers, published in November 2023 in the Journal of Geophysical Research: Solid Earth, an ancient underwater volcano riding a sinking tectonic plate off the coast of Japan may have unleashed several unexplained major earthquakes by grinding against another tectonic plate above it.

The extinct underwater volcano, known as Daiichi-Kashima seamount, sits on the Pacific tectonic plate about 40 kilometers off Japan’s east coast. There, three tectonic plates intersect, with the Pacific plate to the east and the Philippine plate to the south both slipping beneath the Okhotsk plate to the north. The seamount sits on a section of the plate that began descending into Earth’s mantle between 150,000 and 250,000 years ago. But the seamount is still close enough to the surface to trigger earthquakes, as it currently sits less than 50 km deep. While the majority of the seismic activity around the seamount manifests as small tremors, there have been several earthquakes between magnitudes M 7.0 and 7.8 in 1982 (M 7.0), 2008 (M 7.0) and 2011 (M 7.8) that previous research has failed to explain.

When a tectonic plate subducts beneath another plate, the seamounts peppered across its surface scrape against the bottom of the overriding plate. A 2008 study suggested this friction was too weak to trigger earthquakes, creating only very small tremors.

However, newer data indicate the opposite. Seismic information gathered at the bottom of the ocean in Japan indicates seamounts encounter huge resistance as they ride along on a subducting plate and sometimes become stuck. One can read in the study that « the seamount itself is almost stationary, because it has very strong friction.

As the seamount digs into the overriding plate, stress accumulates on its leading edge. The region around the seamount becomes locked and grinds to a halt, while the rest of the subducting plate continues its creeping descent into Earth’s mantle. « Stress increases at the edge of the seamount and after some time, the stress propagates and migrates inward. » This buildup cannot continue infinitely, and the stress is eventually released when the seamount suddenly frees itself from the overriding plate and jerks forward. The overriding plate jolts in the opposite direction, triggering a new kind of earthquake that the authors of the study called a « hang-up » earthquake.

Hang-up earthquakes may have unleashed tsunamis in the past. Sediment deposits along Japan’s east coast indicate huge waves battered the coastline in 1677, after an earthquake shook an area overlapping with the Daiichi-Kashima seamount. According to the study, « the rupture of the subducted seamount thus provides the most plausible source for these great tsunami earthquakes. »

Source : Live Science.

Faut-il encore croire à une éruption sur la péninsule de Reykjanes ? // Should we still believe in an eruption on the Reykjanes Peninsula?

Bien que la sismicité soit très faible sur la péninsule de Reykjanes, les volcanologues islandais pensent toujours qu’une éruption est susceptible de se produire, ou que l’on pourrait assister à l’ouverture de nouvelles fissures à Grindavik, comme le 10 novembre 2023.
Les instruments montrent que le magma continue de s’accumuler sous la surface dans le secteur de Svartsengi, même si le phénomène a récemment ralenti. Le Met Office islandais explique que la vitesse de soulèvement du sol est toujours supérieure à celle mesurée dans les jours qui ont précédé le 10 novembre, lorsque le dyke magmatique s’est formé sous Grindavík .
Si une nouvelle intrusion se produit, le Met Office pense qu’il est très probable que le magma fera son retour dans le dyke qui s’est formé le 10 novembre et qu’une éruption se produira au nord de Grindavík, vers Hagafell et la zone autour de la ligne de cratères de Sundhnúkagígar.
125 séismes ont été mesurés près de Grindavík au cours des dernières heures, dont trois au-dessus de M 2,0 à Hagafell. Un volcanologue local s’attend à une activité sismique soutenue le long du dyke.
Comme je l’ai déjà écrit, je ne crois pas à une prochaine éruption. Une chose est quand même sûre : l’intrusion magmatique n’est pas terminée. Il est probable que le magma continue de pousser par en dessous, avec sa source dans la région de Svartsengi, mais il n’a plus la force nécessaire pour percer la surface. Le seul événement qui pourrait changer la donne serait un nouvel afflux important de magma. Il est évident que les sismographes nous en informeraient. On observerait aussi un soulèvement de sol plus important, avec un risque réel d’éruption.
Pour le moment, la sismicité est faible et le tremor ne montre aucun signe d’activité volcanique à venir. Cela fait une cinquantaine de jours que l’on observe un soulèvement du sol. Si une éruption avait dû se produire, elle se serait probablement déjà produite. Quoi qu’il en soit, au bout du compte, c’est la Nature qui décidera, et elle nous rappelle que nous ne savons pas prévoir une éruption volcanique !
Source  : Iceland Monitor, Iceland Review.

Rien de très inquiétant au niveau sismique sur la péninsule de Reykjanes (Source: Met Office)

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Although seismicity is very low on the Reykjanes Peninsula, Icelandic volcanologists still belive an eruption might occur, or another event like the opening of fissures that was observed in Grindavik on November 10th, 2023.

The instruments show that magma continues to accumulate under the surface at Svartsengi, although it has recently slowed. The Icelandic Met Office (IMO) explains that the speed of the land rising is still higher than the speed measured in the days before November 10th, when the magma dike under Grindavík was formed.

If a new intrusion happens, IMO thinks it is most likely that the magma will run back into the magma dike that was formed on November 10th and that a volcanic eruption would occur north of Grindavík, towards Hagafell and the area around Sundhnúkagígar crater row.

125 earthquakes have been measured near Grindavík in the past hours, three of which were above M 2.0 at Hagafell. Sustained seismic activity is expected by a local volcanologist along the magma dike.

As I put it before, I don’t believe an eruption will occur. There is one sure thing : the magma intrusion is not over. It is likely that magma is still pushing from beneath, with its source in the Svartsengy area, but it no longer has the necessary strength to pierce the surface. The only event that might change the situation would be a new significant influx of magma, but the seismographs would inform us and more ground uplift would be observed, with the real risk of an eruption.

For the moment, seismicity is low and the tremor does not show signs of an upcoming volcanic activity. Ground deformation has been observed for about 50 days now. If an eruption were to occur, it would have already happened. Anyway, Nature will decide in the end, with the confirmation that we cannot predict a volcanic eruption !

Source : Iceland Monitor, Iceland Review.

Hawaii : les secrets des profondeurs // The secrets of the depths

Dans une étude publiée le 22 décembre 2022 dans la revue Science, une équipe scientifique du California Institute of Technology (Caltech) a proposé une réponse à la question : comment le magma issu du manteau profond se déplace-t-il vers la surface à Hawaii?
Les réservoirs magmatiques peu profonds qui alimentent les éruptions à Hawaii sont étudiés depuis un certain temps grâce au comportement des ondes sismiques. Les fluctuations de leur vitesse et de leur trajectoire indiquent aux scientifiques les types de matériaux traversés, avec des indications sur leur température, leur densité et leur composition. Cependant, pour vraiment comprendre ce qui gère ces processus volcaniques, les scientifiques ont besoin de savoir ce qui se passe à l’interface entre le manteau visqueux et la croûte solide. C’est ce que révèle la nouvelle étude.
La structure globale décrite dans l’étude est composée de plusieurs chambres allongées ou sills. [NDLR : un sill est une infiltration de roche magmatique entre deux couches plus anciennes d’autres roches (sédimentaires, volcaniques, métamorphiques)]. Lorsque les éruptions évacuent le magma des réservoirs peu profonds qui les surmontent, ces sills profonds semblent réagir.
Une activité sismique persistante dans une zone au sud-ouest du Kilauea et à une trentaine de kilomètres sous la surface avait précédemment laissé supposer l’existence possible d’un ensemble de failles permettant au magma de se déplacer des profondeurs vers des réservoirs proches de la surface. En outre, depuis les années 1980, certains signaux sismiques avaient suggéré que du magma s’agitait dans la région. Jusqu’à récemment, la véritable nature de ce labyrinthe souterrain reposait davantage sur la spéculation que sur la vérité scientifique. Ce dont les scientifiques avaient besoin, c’était d’un pic d’événements sismiques provenant de cette région précise. Une telle situation a semblé se produire en 2015 lorsque l’activité sismique dans la région s’est un peu accélérée.
Cependant, la vraie réponse est apparue en 2018. Après une éruption plus ou moins continue du Kilauea pendant 35 ans, une séquence éruptive majeure a commencé sur le volcan, avec l’émission d’énormes quantités de lave au cours de trois mois. La vidange du réservoir magmatique peu profond a provoqué l’effondrement spectaculaire de la zone sommitale.

Les géologues ont enregistré un pic significatif d’activité sismique profonde en 2019 sous la ville de Pāhala, à environ 40 km au sud-ouest du Kilauea. L’essaim sismique de Pāhala était une opportunité de découvrir ce qui se passait sous l’île, mais les scientifiques à eux seuls n’étaient pas été en mesure d’identifier individuellement tous les séismes car les plus petits étaient carrément étouffés par des événements plus importants.
L’équipe scientifique du Caltech a transmis l’intégralité de l’enregistrement de l’essaim sismique à un programme informatique automatique, une technique qui avait déjà été utilisée pour identifier des millions de séismes en Californie. Le programme a rapidement fait la différence entre les véritables séismes et les bruits parasites, puis il a identifié et caractérisé des milliers d’événements qui auraient été ratés par les programmes conventionnels de détection de signaux sismiques.
De novembre 2018 à avril 2022, le système a enregistré environ 192 000 séismes sous Pāhala. En transférant ces événements sur une carte, l’équipe scientifique a découvert avec surprise un ensemble de structures magmatiques représentant le cœur volcanique qui battait au sud d’Hawaii. Certains événements sismiques provenaient d’une région située à 28-32 km de profondeur. Ces séismes longue période sont généralement attribués aux vibrations produites par le mouvement des fluides, y compris le magma. L’essentiel de la sismicité provenait d’une zone située entre 35 et 43 km de profondeur. Ces séismes volcano-tectoniques délimitaient un certain nombre de structures en forme de feuille, presque horizontales ; certaines d’entre elles avaient 6,5 km de long et 4,8 km de large.
Le complexe Pāhala Sill semble donner naissance à plusieurs artères. Une voie majeure, marquée par des séismes indiquant des fracturations de roches, semble conduire directement dans l’un des réservoirs de magma peu profonds du Kilauea. Ce n’est peut-être pas une coïncidence, alors, si le complexe de sills a commencé à se manifester sans relâche en 2019. Lors de l’éruption de 2018, le Kilauea a été vidé d’une partie importante de son réservoir magmatique peu profond, ce qui a provoqué une chute de pression. Suite à cela, du magma a été aspiré dans les sills pour rétablir la pression. Des événements similaires se sont produits lors de la brève éruption du Kilauea en 2020.
Les prochaines études pourraient permettre de savoir si le Kilauea et le Mauna Loa, qui sont des voisins relativement proches à la surface, sont connectés en profondeur. À ce jour, il existe peu de preuves concrètes de cette hypothèse et les scientifiques conviennent généralement que les deux volcans sont indépendants l’un de l’autre.
Source : Caltech, The Washington Post.

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In a study published on December 22nd, 2022 in the journal Science, a scientific team from the California Institute of Technology (Caltech) has offered a possible answer to the question : how does magma from the deep mantle travel to the Hawaiian surface?

The shallow magma reservoirs that feed Hawaii’s eruptions have been known about for some time thanks to gthe behaviour of seismic waves. Changes in their speed and trajectory tell scientists what sorts of matter they have been travelling through, providing clues to its temperature, density and composition. However, to truly understand what drives these volcanic processes, scientists need to know what is happening at the interface of the squishy mantle and the solid crust. That is what is revealed by the new study.

The giant feature described in the study is made up of several elongated chambers or sills. When eruptions drain magma from the shallow reservoirs above, these deep-seated sills seem to react.

A persistent seismic activity from an area southwest of Kilauea and about 30 km below ground had previously suggested that a collection of faults may exist there, creating pathways for magma to travel from the depths to near-surface reservoirs. Besides, since the 1980s, special kinds of quakes have hinted that magma has been churning about in the region. But until recently, the true nature of this underground labyrinth was based more on speculation than scientific truth. What scientists needed was a sustained spike in quakes coming from that exact region. Things looked promising in 2015 when the region’s rumbling picked up a little.

However, the real answer appeared in 2018. After Kilauea had been erupting more or less continuously for 35 years, a major eruptive sequence began at the volcano. The event produced huge amounts of lava in three months. The drainage of the volcano’s shallow magma reservoir caused its summit to collapse dramatically.

Geologists recorded a shocking spike in deep seismic activity in 2019 below the town of Pāhala, which sits about 40 km southwest of Kilauea. While the Pāhala quake swarm was a chance to unearth the island’s buried magmatic treasure, scientists alone were not able to identify many of the individual quakes as the smaller ones were smothered by bigger events.

The scientific team from Caltech fed the entire recording of the seismic swarm to a machine learning program, a technique which had previously been used to identify millions of hidden quakes in California. The program quickly made the difference between what was a real quake and what was extraneous noise, then identified and characterized thousands of events that would have been missed by conventional seismic signal detection programs.

From November 2018 to April 2022, the system logged around 192,000 quakes below Pāhala. Plotting these events on a map, the team was stunned to discover a collection of pulsing magmatic structures which were the beating volcanic heart of southern Hawaii. Some of the quakes came from a region 28 to 32 km deep: these long-period earthquakes are usually attributed to the vibrations made by the movement of fluids, including magma. The bulk of the seismicity came from an area 35 to 43 km deep. These volcano-tectonic quakes delineated a number of near-horizontal sheetlike structures, some of them 6.5 km long and 4.8 km wide.

The Pāhala Sill Complex appears to have several arteries branching from it. One major pathway, marked by rock-breaking quakes, appears to lead right into one of Kilauea’s shallow magma reservoirs. It’s perhaps no coincidence, then, that the sill complex began to thunder relentlessly in 2019. During the 2018 eruption, Kilauea was drained of a significant portion of its shallow magma supply, causing a pressure drop. In response, magma was sucked into the sills to equalize the pressure. Similar events happened during Kilauea’s briefer 2020 eruption.

Further work may help resolve the controversial question of whether Kilauea and Mauna Loa, which are relatively close neighbours at the surface, are somehow connected at great depths. To date, little concrete evidence for this hypothesis exists, and experts generally agree that the two volcanoes are largely independent of one another.

Source : Caltech, The Washington Post.

Hypothèse du HVO sur le parcours de la lave sous le Kilauea

Le séisme de M 6,9 sur le Kilauea le 4 mai 2018 et ses répliques plusieurs mois plus tard (Source: USGS)

Islande : le Met Office croit toujours à une éruption // Iceland : the Met Office still believes an eruption might occur

Dans sa mise à jour du 27 novembre 2023, le Met Office islandais estime toujours qu’une éruption pourrait se produire le long de l’intrusion magmatique sur la péninsule de Reykjanes.

L’activité sismique a diminué ces derniers jours et est désormais relativement stable. La plupart des événements ont lieu près de Sýlingarfell et Hagafell.

Les données des stations GPS et les images satellite montrent que le soulèvement du sol se poursuit dans la région de Svartsengi et que la déformation est toujours en cours le long et autour du dyke magmatique
Selon le Met Office, les données sismiques et de déformation montrent que le magma continue de s’accumuler sous le secteur de Svartsengi et de s’écouler dans la partie médiane du dyke détecté le 10 novembre. En conséquence, une éruption le long de l’intrusion magmatique est toujours considérée comme probable tant que l’afflux de magma se poursuit. La zone où le risque d’une éruption est le plus élevé se situe au milieu du dyke entre Hagafell et Sýlingarfell.
[NDLR : Il est à noter que le tremor continue de montrer des valeurs basses. Pour l’instant, il ne semble pas que l’afflux de magma mentionné par le Met Office soit suffisamment fort pour que la lave puisse percer la surface.]

Le tremor le 28 novembre 2023 (Source: IMO)

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In its update of November 27th, 2023, the Icelandic Met Office still believes that an eruption might occur somewhere along the magma intrusion on the Reykjanes Peninsula.

Seismic activity has declned in the past days and is now relatively stable. Most of the events are located near Sýlingarfell and Hagafell.

Data from GPS stations and satellite images show that uplift continues in the area of Svartsengi and deformation is still ongoing along and around the dike.

According to the Met Office, both seismic and deformation data suggest that magma continues to accumulate beneath Svartsengi and to flow into the middle portion of the dike which formed on November 10th. As a consequence, an eruption along the dike is still considered likely as long as the magma inflow continues. The area with the highest likelihood for an eruption is in the middle part of the dike between Hagafell and Sýlingarfell.

[Editor’s note : It should be noted that the tremor is keeping low values. For the time being, it does not look as if the magma influx mentioned by the Met Office is strong enought for lava to pierce the surface].