Le poids des volcans hawaiiens // The weight of Hawaiian volcanoes

L’État d’Hawaii est l’un des endroits les plus exposés aux séismes aux États-Unis. Contrairement à d’autres Etats comme la Californie où les secousses sont liées au mouvement des plaques tectoniques, la sismicité à Hawaii est à mettre directement en relation avec les volcans.

La sismicité à Hawaii est due à trois causes principales : 1) le mouvement du magma sous les volcans actifs ; 2) le glissement des flancs des volcans le long de la zone entre l’ancienne croûte océanique et les volcans sus-jacents ; 3) la flexion de la croûte terrestre et du manteau supérieur sous le poids des volcans.

Un séisme de M 5.2 lié à la troisième cause s’est produit le 5 juillet 2021 à 5 km au large de la côte nord de Big Island, à 27 kilomètres sous le niveau de la mer. Deux jours plus tard, un événement de M 4.2 a été enregistré sur le côté ouest de la Grande Ile. Les deux séismes étaient probablement liés aux contraintes exercées par le poids énorme des volcans– en particulier le Mauna Loa et le Mauna Kea – sur la croûte et le manteau.

Les contraintes générées par le poids des volcans sont faciles à comprendre. Au fur et à mesure que les volcans hawaiiens entrent en éruption et prennent du volume, ils ajoutent de plus en plus de poids à la surface de la Terre. Cela provoque un fléchissement de la plaque Pacifique, un peu comme le poids des livres fait fléchir une étagère. Un certain poids peut simplement faire fléchir l’étagère, mais un excès de poids peut provoquer sa rupture. Une telle rupture peut se produire si les plaques tectoniques plient et n’arrivent plus à supporter le poids qui les surmonte.

Les séismes causés par ce phénomène peuvent être assez importants ; certains peuvent avoir une magnitude supérieure à M 6.0. Parmi les séismes de flexion de plaque tectonique à Hawaï, on notera le séisme de M 6,8 à Lanai le 19 février 1871, un événement de M 6,8 à Maui le 22 janvier 1938 ou un séisme de M 5,2 à Oahu le 28 juin 1948. Ces séismes sont profonds, généralement entre 25 et 40 km, dans le manteau supérieur sous les volcans et la croûte océanique.

Pour analyser ces séismes, les scientifiques du HVO utilisent généralement les données GPS qui permettent de calculer comment un point spécifique à la surface de la Terre se déplace dans le temps. Le HVO exploite un réseau de plus de 65 stations GPS sur l’île d’Hawaii. Elles permettent de surveiller et suivre des mouvements extrêmement faibles à la surface de la Terre, y compris certains déplacements liés à la contrainte de flexion des plaques.

Pour améliorer la compréhension scientifique de la flexion des plaques dans l’archipel hawaiien, 7 nouveaux sites GPS sont en cours d’équipement sur les îles d’Hawaï, Molokai et Lanai. Ces nouveaux sites ont été choisis dans le but d’analyser les mouvements associés à la flexion des plaques, mais aussi pour se rendre compte si certains mouvements résultent de la flexion des plaques ou de la dynamique de systèmes magmatiques profonds sous les volcans.

Source : USGS/HVO.

On notera que cette flexion de l’écorce terrestre sous le poids des volcans est l’inverse du rebond isostatique observé dans les régions où la fonte des glaciers fait chuter leur masse et entraîne un soulèvement de l’écorce terrestre, comme en Islande, par exemple.

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The State of Hawaii is one of the most seismically active locations in the United States. Unlike some other earthquake-prone places in the US, like California, where the earthquakes are related to tectonic plates sliding past each other, seismicity in Hawaii is related to volcanoes.

There are three main causes for earthquakes in Hawaii are: 1) the movement of magma under active volcanoes; 2) the sliding of volcanoes’ flanks along the surface that separates the ancient oceanic crust and overlying volcanoes; 3) the bending or flexing of the Earth’s crust and upper mantle in response to the weight of the overlying volcanoes.

An M 5.2 earthquake related to the third cause occurred on July 5th, 2021 5 km off the north shore of Big Island at 27 kilometres below sea level. Two days later, an M 4.2 event occurred on the west side of the Island of Hawaii. Both earthquakes were likely related to stress caused by the enormous weight of the Hawaiian volcanoes – especially Mauna Loa and Mauna Kea – on the underlying crust and mantle.

The stress caused by the weight of the volcanoes is easy to understand. As Hawaiian volcanoes erupt and grow, they add more and more weight to the Earth’s surface. This causes the Pacific Plate to flex downward, much like the bending caused by heaving books on an overloaded bookshelf. Some weight may just make the shelf bow, but a lot of weight may cause the shelf to start to splinter or break. Those breaks are similar to what happens in tectonic plates if they bend too. Earthquakes caused by this flexure can be quite large ; some can be greater than M 6.0.

Some additional past Hawaiian flexure earthquakes include the M 6.8 Lanai earthquake on February 19th, 1871, an M 6.8 event in Maui on January 22nd, 1938, or an M 5.2 quake in Oahu on June 28th, 1948.

These earthquakes are deep, typically 25–40 km, within the uppermost mantle underneath volcanoes and oceanic crust. To measure these quakes, HVO scientists typically use GPS data. GPS instruments allow to calculate how a specific point on the Earth’s surface moves throughout time. HVO operates a network of over 65 GPS stations on the Island of Hawaii. They are used to monitor and track extremely small movements at the Earth’s surface, including some displacements related to plate flexure stress.

To improve the scientific understanding of plate bending in the Hawaiian Islands, 7 new GPS sites are being equipped on the islands of Hawaii, Molokai, and Lanai. These new sites are strategically placed to capture movement associated with plate bending and to test whether certain motions result from ongoing plate bending or from the dynamics of very deep magmatic systems beneath the volcanoes.

Source : USGS / HVO.

It should be noted that this bending of the Earth’s crust under the weight of volcanoes is the reverse of the isostatic rebound observed in regions where the melting of glaciers causes their mass to drop and the Earth’s crust to rise, as in Iceland, for instance.

Le Mauna Loa (à gauche) et le Mauna Kea (à droite) exercent un pression considérable sur l’écorce terrestre (Photo : C. Grandpey)

De l’eau sous les volcans boliviens // Water beneath Bolivian volcanoes

drapeau-francaisDes chercheurs de l’Université de Bristol en Angleterre ont découvert un énorme réservoir d’eau sous le volcan Uturuncu, actuellement inactif, dans les Andes boliviennes. Ils ont fait la découverte en étudiant l’anomalie topographique du haut plateau de l’Altiplano-Puna, un corps magmatique qui ralentit les ondes sismiques et conduit l’électricité, contrairement au magma environnant.
L’eau ainsi découverte, qui est mélangée au magma partiellement fondu, pourrait aider à expliquer pourquoi et comment les éruptions se produisent. Il se peut que cette eau joue également un rôle dans la formation de la croûte continentale sur laquelle nous vivons, et elle pourrait être une preuve supplémentaire que de l’eau circule à l’intérieur de notre planète depuis sa formation.
Les scientifiques ont prélevé des roches émises lors d’une éruption de l’Uturuncu il y a 500 000 ans. Ensuite, en laboratoire, et ils ont introduit différentes quantités d’eau avant d’exposer les échantillons à des conditions imitant celle de l’anomalie observée en Bolivie. L’expérience consistait à soumettre les roches à des pressions 30 000 fois supérieures à la pression atmosphérique et à des températures allant jusqu’à 1500°C. Les scientifiques ont constaté qu’à une certaine teneur en eau, la conductivité électrique correspondait exactement à la valeur mesurée dans l’anomalie. En poids, ils ont calculé que la roche contenait 8 à 10 pour cent d’eau.
On sait que le corps magmatique de l’Altiplano-Puna a un volume d’environ 500 000 kilomètres cubes ; c’est pourquoi les chercheurs estiment qu’il doit contenir une quantité d’eau semblable à certains des plus grands lacs d’eau douce sur Terre. Il ne faut toutefois pas espérer extraire l’eau nouvellement découverte. Elle est dissoute dans la roche partiellement fondue à 950 à 1000°C ; elle n’est donc pas accessible.
L’importante teneur en eau du magma pourrait permettre d’expliquer la composition des roches de la croûte continentale. Lorsque le magma contenu dans le manteau – principalement composé de basalte – s’élève dans la croûte, l’eau contribue à enrichir le basalte en silice et l’appauvrit en magnésium, ce qui finit par donner naissance à des roches comme l’andésite.
D’autres anomalies, avec la même conductivité encore inexpliquée, ont été découvertes sous d’autres volcans, tels que la zone volcanique de Taupo en Nouvelle Zélande, et le Mont St Helens dans l’Etat de Washington.
Cette étude donne un nouvel éclairage sur le cycle de l’eau dans les profondeurs de la Terre et nous rappelle que nous savons bien peu de choses sur le chemin emprunté par l’eau à travers la croûte terrestre et le manteau au cours des périodes géologiques. À l’avenir, si l’on parvient à mieux comprendre comment l’eau peut déclencher des éruptions, cela  pourrait permettre aux volcanologues de mieux interpréter l’activité sismique et peut-être améliorer sa prévision.

Source: New Scientist & Earth and Planetary Science Letters.

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drapeau-anglaisResearchers of the University of Bristol in England have discovered a massive reservoir of water deep beneath the currently dormant Uturuncu volcano in the Bolivian Andes. They made the discovery while studying a huge “anomaly” 15 kilometres beneath the volcano. The anomaly, called the Altiplano-Puna magma body, slows down seismic waves and conducts electricity, unlike surrounding magma.

The unexpected water, which is mixed with partially melted magma, could help to explain why and how eruptions happen. This water may also be playing a role in the formation of the continental crust we live on, and could be further evidence that our planet has had water circulating in its interior since its formation.

The team took rocks that were spat out by an eruption of Uturuncu 500,000 years ago and mixed them with varying amounts of water before exposing them in the lab to conditions mimicking those in the anomaly. This included pressures 30,000 times as high as atmospheric pressure, and temperatures up to 1500 °C. The scientists found that at a particular water content, the electrical conductivity exactly matched the value measured in the anomaly. By weight, they calculated it contains 8 to 10 per cent water.

The Altiplano-Puna magma body is known to be around half a million cubic kilometres in volume, so the researchers estimate it must contain a similar amount of water to some of the largest freshwater lakes on Earth. However, we can forget about extracting the newly found water. It is dissolved in partially melted rock at 950 to 1000 °C, so it’s not accessible.

But increased water content in magma may help to explain the composition of continental crust rocks. When magma in the mantle – mainly composed of basalt – rises up into the crust, the water helps to enrich the basalt with silica and deplete it of magnesium, eventually forming rocks like the andesite.

Other anomalies with similar unexplained conductivity have been discovered beneath other volcanoes, such as those in the Taupo Volcanic Zone in New Zealand, and Mount St Helens in Washington State.

This study illuminates a new feature of Earth’s deep-water cycle, and reminds us how little we know about the pathway of water through Earth’s crust and mantle systems on geologic timescales. In the future, understanding more about how water can trigger eruptions could help volcanologists better interpret seismic activity, perhaps improving predictions.  .

Source: New Scientist & Earth and Planetary Science Letters.

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Volcan Uturuncu (Crédit photo: Wikipedia)

 

Réchauffement climatique, glaciers et volcans islandais // Global warming, Icelandic glaciers and volcanoes

drapeau francaisC’est un phénomène bien connu: avec le réchauffement climatique et la fonte des glaciers, la croûte terrestre a tendance à se soulever. Ce phénomène a été confirmé par une équipe de chercheurs de l’Université de l’Arizona dans une étude financée par la National Science Foundation et le Centre Islandais pour la Recherche. Les chercheurs ont découvert que la croûte sous l’Islande se soulève au fur et à mesure que le réchauffement climatique fait fondre les vastes calottes glaciaires de l’île.
Quelque 300 glaciers couvrent environ 10% de la surface de l’Islande et ces glaciers perdent environ 11 milliards de tonnes de glace par an. Avec cette perte de poids, la terre sous-jacente décompresse peu à peu. Les résultats de l’étude, à paraître dans un prochain numéro de la Geophysical Research Letter, montrent pour la première fois que « le rapide soulèvement actuel de la croûte islandaise est le résultat de la fonte accélérée des glaciers de l’île. »
Selon les chercheurs, le soulèvement coïncide avec le début de réchauffement climatique il y a une trentaine d’années. Ils ont d’abord utilisé la technologie GPS pour mesurer le soulèvement en 2006. Ils ont ensuite installé 62 stations GPS à travers l’Islande et ont regardé à quelle vitesse ces stations GPS se soulevaient à travers le temps. Ils ont été vraiment surpris par la vitesse à laquelle certains sites islandais se soulevaient. Non seulement les sites en Islande centrale et méridionale se soulevaient très rapidement, mais le déplacement s’accélérait d’année en année. Certains sites connaissaient une hausse atteignant 3,5 centimètres par an.
Le résultat de cette étude est important car des recherches précédentes ont montré une correspondance directe en Islande entre ce soulèvement de la croûte et l’activité volcanique. En effet, au fur et à mesure que les glaciers fondent, la pression exercée sur les roches sous-jacentes diminue. Des roches à très hautes températures peuvent demeurer dans leur phase solide si la pression est suffisamment élevée. Quand la pression diminue, leur température de fusion fait de même. La charge qui pèse sur le réservoir magmatique se trouve alors allégée et les forces qui s’exercent sur lui se relâchent, provoquant des éruptions. Cependant, rien ne prouve qu’il existe un lien entre l’éruption de l’Eyjafjallajökull en 2010 ou l’éruption dans Holuhraun et le soulèvement de la croûte terrestre en Islande.
Sources: Fox News & Daily Kos.

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drapeau anglaisIt is a well-known story : with global warming and the melting of glaciers, the Earth’s crust is rising. This phenomenon has been confirmed by a University of Arizona research team in a study financed by the National Science Foundation and the Icelandic Center for Research. The researchers discovered that the crust under Iceland is rebounding as global warming melts the island’s great ice caps.

About 10% of Iceland’s surface area is covered by about 300 different glaciers which are losing an estimated 11 billion tons of ice per year. As that weight flows away, the underlying land decompresses a bit. The team’s paper, which can be found in an upcoming issue of Geophysical Research Letter, is the first to show “the current fast uplift of the Icelandic crust is a result of the accelerated melting of the island’s glaciers.”

According to the research, the rising coincides with the onset of warming that began about 30 years ago. The scientists first began using GPS technology to measure the uplift in 2006. They used 62 GPS stations located all across Iceland and looked at how fast those GPS stations were moving upward through time. What really surprised them was the speed at which some sites in Iceland were rising. They were not only moving upward very rapidly in the central and southern part of the island, but they were moving faster and faster each year. Some sites were rising as much as 3.5 centimetres a year.

This is important because previous research has shown a direct correspondence in Iceland between this motion upward and volcanic activity. Indeed, as the glaciers melt, the pressure on the underlying rocks decreases. Rocks at very high temperatures may stay in their solid phase if the pressure is high enough. As you reduce the pressure, you effectively lower the melting temperature. The pressure on the magma chamber decreases and causes eruptions. However, there is nothing to prove there exists a link between the 2010 Eyjafjallajökull eruption and the Holuhraun eruption, and the uplift of the Earth’s crust in Iceland.

Sources: Fox News & Daily Kos.

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Vue du Vatnajökull  (Photo:  C. Grandpey)

Ré-émergence de la croûte terrestre // Re-emergence of the Earth’s crust

drapeau francais  C’est bien connu : la Terre est une planète vivante avec des plaques tectoniques qui se déplacent en générant des phénomènes de collision, d’accrétion ou de subduction. Au cours de cette dernière, des morceaux de la croûte terrestre plongent dans les profondeurs et rejoignent le manteau qui leur a donné naissance longtemps auparavant. On pensait qu’un jour ou l’autre cette croûte terrestre « avalée » au cours du processus de subduction pouvait remonter à la surface au cours d’éruptions volcaniques, mais on n’en avait pas vraiment la preuve.

La réponse vient peut-être d’être donnée avec la découverte de signatures anormales en isotopes du soufre dans les laves de Mangaia, volcan de point chaud des Iles Cook (Polynésie) entré en éruption il y a quelque 20 millions d’années. Cette découverte indique la présence, dans le manteau terrestre profond, d’une croûte océanique archéenne, vieille d’au moins 2,45 milliards d’années. Les signatures confirment définitivement l’hypothèse du recyclage des matériaux de la croûte océanique lors de la phase de subduction, ainsi que son stockage et sa remontée par le volcanisme. Ces travaux menés par une équipe de chercheurs américains, français et suédois sont publiés dans la revue Nature le 24 avril 2013.

Pour trouver l’âge de cette ancienne croûte terrestre recyclée, les scientifiques ont analysé les isotopes de soufre dans les basaltes de Mangaia. Ils ont alors découvert que ces isotopes étaient ceux qui pouvait uniquement se former lors d’une réaction avec une lumière intense, phénomène qui s’est probablement produit avant que l’atmosphère contienne beaucoup d’oxygène. En effet, une fois que le gaz eut formé une couche d’ozone primitive, une lumière intense ne pouvait plus atteindre la surface de la Terre.

Puisque nous savons que l’atmosphère terrestre a commencé à inclure des quantités mesurables d’oxygène il y a environ 2,45 milliards d’années, il est probable que la croûte s’est formée et s’est ensuite enfoncée par subduction à cette époque.

Sources: The New Scientist, Science Daily.

 

drapeau anglais  It’s a well-known fact: the Earth is a living planet with tectonic plates that move generating phenomena of collision, accretion or subduction. In the latter, pieces of the crust plunge down into the deep mantle that gave them birth long ago. We thought that one day or another this crust « swallowed » during the subduction process  could rise to the surface during volcanic eruptions, but we did not really have a proof of this.
The answer just might be given with the discovery of abnormal sulfur isotope signatures in the lavas of Mangaia, a  hot spot  volcano of the Cook Islands (French Polynesia) that erupted some 20 million years ago. This finding indicates the presence in the deep mantle, of an Archean oceanic crust  at least 2.45 billion years old. Signatures definitely confirm the hypothesis of the recycling of materials from oceanic crust during the subduction phase, as well as its storage and its rise to the surface through volcanism. This study by a team of American, French and Swedish researchers was published in the April 24, 2013 issue of the journal Nature.
To find the age of the ancient recycled crust, scientists analyzed sulfur isotopes in the basalts of Mangaia. They discovered that these isotopes were those that could only be formed upon reaction with an intense light, a phenomenon that probably occurred before the atmosphere contained a lot of oxygen. Indeed, once the gas had formed a primitive ozone layer, intense light could not reach the surface of the Earth.
Since we know that the Earth’s atmosphere began to include measurable amounts of oxygen about 2.45 billion years ago, it is likely that the crust formed and then plunged through subduction at that time .

Sources: The New Scientist, Science Daily.

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Mangaia vue depuis l’espace en 2001.  (Crédit photo: NASA)