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Colorimétrie de la pièce d’eau de l’Halema’uma’u (Hawai) // Colorimetry of Halema’uma’u’s water pond (Hawaii)

Aujourd’hui, le Kilauea n’est plus en éruption. Sans coulées de lave à étudier, les scientifiques du HVO se tournent désormais vers la pièce d’eau au fond du cratère de l’Halema’uma’u. Cela fait maintenant 15 mois que des eaux souterraines chaudes s’infiltrent dans le cratère d’effondrement apparu suite à l’évacuation du lac de lave et d’une partie de la chambre magmatique sommitale en 2018. Étant donné que le fond du cratère d’effondrement et la pièce d’eau sont physiquement inaccessibles, le HVO utilise des techniques à distance pour surveiller cet environnement changeant et potentiellement dangereux. Le HVO utilise des drones pour collecter des échantillons d’eau et les analyses chimiques donnent une idée de leur composition. Des caméras conventionnelles et thermiques surveillent en permanence la surface du lac et les fumerolles tout autour. Le LiDAR (Light Detection and Ranging) permet d’analyser l’évolution de la morphologie du lac. Un modèle numérique de terrain (MNT) est intégré aux mesures du niveau d’eau pour calculer la profondeur, le volume et le débit du lac. Ces ensembles de données quantitatives sont complétés par les comptes rendus écrits fournis par les scientifiques du HVO. Lorsque la pièce d’eau a été observée pour la première fois, c’était une mare de couleur turquoise à l’aspect laiteux. Plus tard sont apparues des teintes jaunes et des bordures vertes. Aujourd’hui, la surface du lac présente des lobes d’eau couleur rouille au-dessus d’une couche de couleur brun foncé, avec des taches brun clair. Des apports d’eau verdâtre émergent de la berge rocheuse le long de laquelle plusieurs taches rouges ont récemment été observées. La surface de l’eau est une mosaïque en mouvement constant. Ce patchwork de couleurs indique probablement des zones de température et des composants dissous différents. Leur mouvement est probablement provoqué par des différences de densité et d’apport d’eau douce.

Les scientifiques du HVO ont jugé nécessaire d’ajouter des mesures quantitatives à ces  observations visuelles de la couleur du lac.

Un colorimètre portatif, capable de mesurer la chromaticité et la luminosité, est actuellement testé sur le terrain. Ce type d’instrument a été utilisé sur le volcan Aso au Japon en 2010, et les scientifiques du HVO s’en sont inspirés. Les colorimètres sont  plus fréquemment utilisés dans l’industrie alimentaire et textile qu’en volcanologie.

La colorimétrie consiste à mesurer la longueur d’onde et l’intensité de la lumière. La quantification de la couleur peut être divisée en deux parties. La luminosité est la quantité de lumière réfléchie, émise par un objet ou qui le traverse. La chromaticité mesure la teinte et la couleur, indépendamment de la luminosité. La colorimétrie relie ces variables à la réception de la couleur par l’œil humain et à notre jugement sur le stimulus physique de la lumière. Sur le terrain, les scientifiques font des observations visuelles sur un champ large, puis orientent le colorimètre vers un centre d’intérêt. L’enregistrement de la chromaticité et de la luminosité s’appuie sur des ensembles de données hydrologiques et géologiques ; cela contribue à fournir des informations qui peuvent compléter d’autres observations à distance. Grâce à cette technique expérimentale, les scientifiques sont en mesure d’expliquer les couleurs dynamiques observées dans la pièce d’eau de l’Halema’uma’u. Il se peut que le changement de couleur du lac indique un jour une évolution de l’activité volcanique sur le Kilauea. En effet, des changements de couleur et d’apparence de l’eau ont déjà été observés dans d’autres lacs de cratère actifs dans le monde. Par exemple, sur le volcan Aso au Japon en 2003, le lac Yudamari est passé du bleu-vert au vert uni avant qu’une éruption se produise au fond du lac. Bien que l’on ne sache pas si le lac au fond de l’Halema’uma’u montrera un changement de couleur similaire avant une éruption, c’est un indicateur potentiel que les scientifiques du HVO vont continuer à étudier dans le cadre de la surveillance de l’activité du Kilauea.

Source: USGS / HVO.

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Today, Kilauea is no longer eruptive. With no lava flows to study, HVO scientists are turning to the water like at the bottom of Halema’uma’u Crater.

For 15 months now, hot groundwater has been seeping into the collapse pit created by the evacuation of the 2008–2018 Halema‘uma‘u lava lake and part of the underlying summit magma chamber. Since the gaping pit and the water lake rising within are physically inaccessible, HVO uses remote techniques to monitor this changing, and potentially hazardous, environment.

HVO uses Unoccupied Aircraft Systems (UAS, or drones) to collect water samples, the chemical analyses of which are snapshots of lake composition. Visual and thermal cameras keep constant watch on the lake surface and the hot fumaroles surrounding it. LiDAR (Light Detection and Ranging) helps to reveal the lake’s growing form. A Digital Elevation Model (DEM) is integrated with frequent water level measurements to calculate lake depth, volume, and inflow rate. These quantitative data sets are complemented by the written accounts of HVO scientists.

When the water pond first emerged, it was described as a pond of milky turquoise water. Later, it developed yellow hues and green shoreline margins. Today, the lake surface has lobes of rust orange water over expanses of deep brown, with patches of light brown and tan. Elongated green inflows emerge from the rocky shoreline, along which several ruddy spots have recently upwelled.

The water surface is a mosaic in constant motion. This patchwork may indicate zones of distinct temperature and dissolved constituents, and their movement is likely driven by differentials of density, wind, and fresh groundwater inflow.

HVO scientists recognized the need to define these valuable visual observations of colour with quantitative measurements.

A colorimeter instrument, a handheld optical device that measures chromaticity and brightness, is being field-tested for this purpose. A similar type of colour measurement was conducted at Aso Volcano in Japan in 2010, inspiring the techniques used by HVO. Colorimeters are more commonly used in industries like food processing and textile manufacturing than in volcanology.

Colorimetry is the measurement of the wavelength and intensity of light. The quantification of colour can be divided into two parts. Brightness, or luminicity, is the quantity of light that is reflected, emitted from, or passes through an object. Chromaticity is a measurement of hue and colorfulness, independent of brightness. Colorimetry relates these variables to the human eye’s sensation of colour, and to our judgment of the physical stimulus of light.

In the field, scientists make broad visual observations, then sight the colorimeter at a point of interest. The record of chromaticity and brightness builds upon hydrologic and geologic data sets, contributing insight that may help link other remote observations. Analysis of the colorimetry data from this experimental technique may help scientists explain the dynamic colours seen at the Halema‘uma‘u lake.

Lake colour changes may possibly even signal changing volcanic conditions beneath the watery depths.  Water colour and appearance changes have been observed at other active crater lakes around the world. For example, at Aso Volcano in Japan in 2003, Yudamari lake changed from blue-green to solid green before an eruption occurred at the lake bottom.

While it is not known if the water lake within Halema‘uma‘u would have a similar colour change prior to an eruption, it is a potential indicator that HVO scientists will be looking for as part of routine monitoring of Kīlauea activity.

Source: USGS / HVO.

Vue de la pièce d’eau au fond du cratère de l’Halema’uma’u fin octobre 2020 (Source : HVO)

Venise : le système Mose enfin opérationnel // Venice : Mose system operational, at last

C’est un projet que les Vénitiens n’attendaient plus. Le système Mose (« Moïse » en italien), un vaste ensemble de digues mobiles, a été activé pour la première fois le week-end dernier à Venise. Il a permis d’éviter que la ville et sa célèbre place Saint-Marc soient inondées par l’acqua alta, phénomène de crue rapide qui se produit en cas de fortes intempéries.

L’activation des digues mobiles a eu lieu à 8 h 35 et s’est achevé à 9 h 52. Le résultat de l’opération a été parfaitement visible sur la Place Saint-Marc, qui est restée sèche alors que l’eau de la mer atteignait les 125 centimètres prévus par le Centre des Marées. La montée de la mer vers la lagune a été interrompue avec succès. Ainsi, à Punta della Salute, le niveau de la marée est resté stable entre 70 et 75 centimètres. Autrement dit, l’activation des digues a permis de gagner une cinquantaine de 50 centimètres. Normalement, l’eau serait arrivée à hauteur des genoux sur la Place Saint Marc.

Conçu en 1984 par l’Italien Alberto Scotti, le projet Mose n’a été lancé officiellement qu’en 2003 suite à retards de chantier, des défauts de conception et un scandale de pots-de-vin impliquant le maire de Venise. Surnommé le « barrage maudit », le système a finalement été livré avec dix ans de retard, et un coût total de 5,5 milliards d’euros, soit trois fois plus que le budget initialement prévu.

Ses 58 parois mobiles, réparties sur quatre immenses barrières, doivent permettre de résister à une crue maximale de trois mètres. L’acqua alta est de plus en plus sévère à Venise avec l’accélération du réchauffement climatique et la hausse du niveau des océans. D’après ses concepteurs, le barrage devrait tenir 100 ans s’il est entretenu correctement.

Source : France Info et la presse italienne.

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It is a project that the Venetians no longer expected. The Mose system (« Moses » in Italian), a large set of movable dikes, was first activated last weekend in Venice. It made it possible to prevent the city and its famous Saint Mark’s Square from being flooded by the acqua alta, a phenomenon of rapid flooding which occurs in the event of severe weather.
The activation of the mobile dikes took place at 8:35 am and was completed at 9:52 am The result of the operation was perfectly visible in St. Mark’s Square, which remained dry while the water from the sea reached the 125 centimetres predicted by the Tide Center. The rise of the sea towards the lagoon was successfully interrupted. Thus, in Punta della Salute, the tidal level has remained stable between 70 and 75 centimetres. In other words, the activation of the dikes made it possible to gain about 50 centimetres. Normally, the water would have reached knee height in St. Mark’s Square.
Designed in 1984 by Italian Alberto Scotti, the Mose project was not officially launched until 2003 following construction delays, design flaws and a bribe scandal involving the mayor of Venice. Dubbed the « damn dam », the system was finally delivered ten years late, and a total cost of 5.5 billion euros, three times the budget initially planned.
Its 58 movable walls, spread over four huge barriers, are supposed to be able to withstand a maximum flood of three metres. Acqua alta is getting more and more severe in Venice because of global warming and the rising level of oceans. According to its designers, the dam is expected to last 100 years if maintained properly.
Source: France Info and the Italian press.

Le système Mose et son principe de fonctionnement (Source ; Wikipedia)

Une histoire d’eau // About water

Ce n’est pas de la volcanologie, mais il est intéressant de connaître les origines de notre planète. Une récente étude parue dans la revue Science explique comment l’EAU a pu apparaître sur Terre.

L’eau recouvre 70 % de la surface de la Terre et est essentielle à la vie. Toutefois, son apparition fait l’objet d’un vieux débat scientifique. Une équipe de chercheurs français du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CNRS/Université de Lorraine) explique  que notre planète, dès son origine, était riche en eau, vraisemblablement contenue en abondance dans les roches qui l’ont constituée.

Les conclusions de l’étude vont à l’encontre de la thèse dominante selon laquelle l’eau aurait été apportée par des astéroïdes et comètes ayant bombardé une Terre initialement sèche. Au vu des anciennes modélisations scientifiques, les disques de gaz et de poussière qui entouraient le Soleil avaient des températures trop élevées pour que l’eau condense et s’agglomère aux autres solides sous forme de glace. C’est ce qui expliquerait les conditions désertiques sur des planètes comme Mercure, Vénus et Mars, mais pas sur Terre.

Les scientifiques ont alors imaginé que l’eau était venue sur Terre beaucoup plus tard et les premiers responsables étaient des météorites dont les chondrites carbonées qui sont riches en eau. Toutefois, leur composition chimique ne correspond pas étroitement aux roches de notre planète. Les chondrites carbonées se sont également formées dans le système solaire externe, et il est donc peu probable qu’elles aient pu bombarder la Terre primitive.

Un autre groupe de météorites, les chondrites à enstatite, a la particularité d’avoir une composition chimique proche de celle de la Terre car elles contiennent des isotopes semblables d’oxygène, titane et calcium. Cependant, s’étant formés à proximité du Soleil, ont pensait que ces roches étaient probablement trop sèches pour avoir apporté beaucoup d’eau à la Terre. .

Afin de vérifier cette hypothèse, les scientifiques français se sont appuyés sur la spectrométrie de masse pour mesurer la teneur en hydrogène de 13 chondrites à enstatite. Ils ont alors constaté que les roches primitives en décelaient suffisamment pour fournir à la Terre au moins trois fois la masse d’eau de ses océans, voire plus encore. Les chercheurs ont aussi découvert que la composition isotopique de l’hydrogène des chondrites à enstatite était semblable à celle de l’eau stockée dans le manteau terrestre.

La composition isotopique des océans est pour sa part compatible avec un mélange contenant 95 % d’eau de ces chondrites, ce qui vient étayer la thèse selon laquelle elles sont à l’origine de l’eau terrestre. Les auteurs ont également trouvé que les isotopes de l’azote de ces météorites sont similaires à ceux de l’azote de la Terre.

L’étude n’exclut pas un apport ultérieur en eau par d’autres sources, comme des comètes, mais insiste sur le fait que les chondrites à enstatite ont contribué de manière significative à l’apport d’eau sur Terre, dès la formation de la planète.

Source : Presse scientifique.

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This is not volcanology, but it is always interesting to know more about the origins of our planet. A recent article released in the journal Science explains how WATER may have appeared on Earth. Water covers 70 percent of the Earth’s surface and is crucial to life as we know it, but how it got here has been a longstanding scientific debate.

The puzzle was a step closer to being solved after a French team from the Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CNRS/Université de Lorraine) reported they had identified which space rocks were responsible, and suggested our planet has been wet ever since it formed. The findings of the study contradict the prevalent theory that water was brought to an initially dry Earth by far-reaching comets or asteroids.

According to early models for how the Solar System came to be, the large disks of gas and dust that swirled around the Sun and eventually formed the inner planets were too hot to sustain ice. This would explain the barren conditions on Mercury, Venus and Mars, but not our Earth.

Scientists therefore theorized that the water came along after, and the prime suspects were meteorites known as carbonaceous chondrites that are rich in hydrous minerals. The problem was that their chemical composition doesn’t closely match our planet’s rocks. The carbonaceous chondrites also formed in the outer Solar System, making it less likely they could have pelted the early Earth.

Another group of meteorites, called enstatite chondrites, are a much closer chemical match, containing similar isotopes of oxygen, titanium and calcium. However, because these rocks formed close to the Sun, they had been assumed to be too dry to account for Earth’s rich reservoirs of water.

To test whether this was really true, the French scientists used mass spectrometry to measure the hydrogen content in 13 enstatite chondrites. The team found that the rocks contained enough hydrogen in them to provide Earth with at least three times the water mass of its oceans, and possibly much more. The researchers found the hydrogen isotopic composition of enstatite chondrites was similar to the one of the water stored in the terrestrial mantle.

The isotopic composition of the oceans was found to be consistent with a mixture containing 95 percent of water from the enstatite chondrites, one more proof these were responsible for the bulk of Earth’s water. The authors further found that the nitrogen isotopes from the enstatite chondrites are similar to Earth’s. They proposed these rocks could also be the source of the most abundant component of our atmosphere.

The research doesn’t exclude later addition of water by other sources like comets, but indicates that enstatite chondrites contributed significantly to Earth’s water budget at the time it formed.

Source: Scientific press.

La Planète Bleue vue depuis la Lune (Source : NASA)

Le mystère de l’eau sur le Kilauea (Hawaii) // The mystery of water on Kilauea Volcano (Hawaii)

Le 4 juillet 2018, un scientifique du HVO qui se trouvait à la Volcano House du Kilauea a pris une photo sur laquelle on peut voir une ligne sombre qui descend le long de la paroi de la caldeira sommitale, au-dessus du plancher de l’Halema’uma’u. (voir la photo ci-dessous). Dans le doute, elle a été baptisée «la traînée noire».
Les géologues du HVO ont déclaré qu’il y avait deux possibilités: cette trace noire pouvait être la cicatrice laissée par un effondrement le long de la pente recouverte de poussière. Ou bien, elle avait pu être creusée par l’eau.
Au cours des jours suivants, la « traînée noire » est allée et venue. Au final, les  observations ont montré que la traînée restait noire même quand une grande quantité de poussière s’élevait de Halema’uma’u. C’était la preuve qu’elle était façonnée par l’eau et non par des effondrements.
L’eau sortait d’un point situé entre 10 et 20 mètres sous la lèvre de la caldeira, au-dessus de la nappe phréatique qui alimente aujourd’hui le lac au fond du cratère (voir mes notes précédentes). La question était de savoir comment l’eau pouvait se trouver aussi haut dans cette zone.
Lorsque de fortes pluies se produisent sur le Kilauea, une rivière coule pendant environ une heure à la surface du sol entre l’extrémité sud d’Uekahuna Bluff et le Rift Sud-Ouest sur une distance de 600 à 800 mètres. Cette rivière a plusieurs mètres de largeur et quelques dizaines de centimètres de profondeur. Elle disparaît toujours avant d’atteindre le Rift SO en s’enfonçant dans le sable alluvial.

Les autres questions étaient de savoir 1) où allait cette eau, et 2) si c’était bien cette eau qui formait la traînée noire mentionnée ci-dessus. Les géologues du HVO pensent que c’était le cas. Après avoir disparu, l’eau de la rivière coule probablement sous terre mais est bloquée par des dykes sous la zone de Rift SO où elle s’accumule pour former un aquifère peu profond. La fracturation de la paroi de la caldeira lors de l’effondrement du sommet en 2018 a probablement ouvert une voie permettant à cette eau de sortir de l’aquifère et de se déverser dans la caldeira.
La « traînée noire », autrement dit la cascade d’eau, est réapparue périodiquement au cours des deux dernières années et le HVO demande au public s’il pourrait fournir d’autres photos du phénomène depuis 2018. Des images récentes montrent une cavité à la source de la cascade qui pourrait être l’ouverture d’un tunnel de lave.
La poche d’eau qui donne naissance à la cascade est l’une des deux qui existaient avant 2018. L’autre a formé une mare d’eau chaude à la surface de la caldeira, à 500 mètres au nord de l’Halema’uma’u avant l’effondrement du cratère en 2018. Une végétation abondante entourait cette mare et des micro-organismes vivaient dans l’eau. La mare s’est vidée lors de l’effondrement de l’Halema’uma’u en 2018, bien que son emplacement reste visible aujourd’hui grâce à la présence de végétation. Tandis que le cratère s’agrandissait en juin et juillet 2018, un panache de vapeur blanche s’élevait généralement au-dessus de sa partie nord-ouest, ce qui contrastait avec les panaches de poussière sombre qui envahissaient la majeure partie de l’Halema’uma’u. Il se peut que le panache de vapeur blanche ait été généré par l’ébullition de l’eau dans l’aquifère peu profond qui alimentait la mare.

Les scientifiques du HVO se demandent aujourd’hui s’il existe d’autres poches d’eau peu profondes sous le plancher de la caldeira. Il y a davantage de précipitations sur la partie nord de la caldeira que sur la partie sud. On sait que plusieurs cavités existent sous le plancher nord de la caldeira; elles émettent de la vapeur à haute température. Cette chaleur provient probablement des coulées de lave et de lacs de lave solidifiés qui existaient dans cette zone au 19ème siècle et au début du 20ème et dont la chaleur vaporise l’eau des précipitations. Cette vapeur persiste même par temps sec.

Les scientifiques du HVO aimeraient savoir s’il existe une poche d’eau plus profonde dans la zone sommitale du Kilauea. En effet, si c’est le cas, elle pourrait provoquer des explosions phréatiques au sommet du volcan.
Source: USGS / HVO.

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On July 4th, 2018, a HVO scientist at the Volcano House Hotel took a photo showing a dark line descending the wall of Kilauea caldera above Halema’uma’u. (see the photo below). Not knowing what it was, he dubbed it the ‘black streak.’

HVO geologists said there were two possibilities: the streak could be a recent rockfall scar cutting across the dusty slope. Or the streak was made by water.

Over the next few days, the black streak came and went. Finally, observations showed that the streak stayed black during a time when a lot of dust was billowing from Halema’uma’u. This was proof positive that it was made by water, not a rockfall.

The water flowed from a point 10–20 metres below the rim of the caldera, high above the groundwater body that today feeds the deepening lake seen at the bottom of the crater (see my previous posts). The question was to know how water could be so high in this area.

During exceptionally heavy downpours, a river flows for an hour or so across the ground surface between the south end of Uekahuna Bluff and SW Rift, over a distance of 600–800 metres. This river is several metres wide and a few tens of centimetres deep. This flowing river always ends before reaching SW Rift, sinking into alluvial sand.

The other questions were to know 1) where this water went, and 2) if it was the water that formed the above mentioned black streak. HVO geologists thought the answer was yes. Beyond where it disappears, the river water probably flows underground but is dammed by dikes beneath the SW Rift area, forming a shallow perched aquifer. Faulting of the caldera wall during the 2018 summit collapse opened a pathway for this stored water to exit the aquifer and pour into the caldera.

The black streak, or water cascade, has reappeared sporadically in the past two years and HVO asks the public if they could get more photos of the phenomenon since 2018. Recent images show a cavity at the head of one cascade. It could be the opening of a lava tube.

The perched water body responsible for the water cascade is one of two such bodies existing before 2018. The other formed a tiny warm pond on the caldera floor 500 metres north of Halema’uma’u before it enlarged in 2018. Lush vegetation surrounded the pond, and microorganisms lived in the water. The tiny pond drained as Halema’uma’u widened in 2018, though its site, marked by vegetation, remains. As the crater expanded in June and July, a white steam plume generally rose above the northwestern part of the crater, contrasting with the dusty brown clouds that engulfed most of the crater. The plume might have been generated by boiling of water in the same shallow aquifer that supported the pond.

HVO scientists wonder whether other shallow water bodies exist unseen beneath the caldera floor. More rain falls on the northern part of the caldera than on the southern. Several caves are known to exist below the northern caldera floor; they emit steam and are very hot. Most likely the heat comes from solidified lava flows and lakes active in this area in the 19th and early 20th centuries, and it heats rainfall to steam. The steam persists even in dry weather. HVO scientists would like to know if there is a deeper water body in the summit area of Kilauea. Indeed, if such shallow water existed, it could trigger phreatic explosions at the summit of the volcano.

Source: USGS / HVO.

Vue de la “traînee noire” sur la paroi de la caldeira. Elle mesure une cinquantaine de mètres et un panache de vapeur (en bas à droite) s’élève de la partie NO de l’Halema’uma’u. La photo a été prise depuis la Volcano House le 4 juillet 2018. La configuration des lieux a beaucoup changé depuis cette date. (Source : USGS).