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Islande : la géothermie au cœur d’un volcan // Iceland : geothermy at the heart of a volcano

Des chercheurs et des scientifiques ont élaboré un projet visant à repousser les limites de l’énergie renouvelable en forant au cœur de la chambre magmatique d’un volcan. Initié en 2014, l’ambitieux projet, baptisé Krafla Magma Testbed (KMT), vise à exploiter la chambre magmatique du Krafla, dans le nord de l’Islande, d’ici 2026.

Pour mener le projet à son terme, KMT recherche un financement de 100 millions de dollars et prévoit de commencer les forages d’ici 2027. KMT est une alliance internationale qui vise à réaliser « la première entreprise de recherche sur le magma pour effectuer des études et des expériences de pointe ». Le projet est porté par des scientifiques et des ingénieurs de 38 instituts de recherche et entreprises de onze pays dont les Etats-Unis, le Royaume-Uni et la France. Si elle réussit, cette stratégie permettra une production d’énergie géothermique sans précédent et ouvrira la voie à une alimentation énergétique illimitée dans toute l’Islande.
Le Krafla présente une caldeira volcanique d’une dizaine de kilomètres de diamètre et une zone de fissures de 90 kilomètres de long. Le volcan est l’un des systèmes géothermiques les plus étudiés. C’est le site de la première centrale géothermique du pays.

La chambre magmatique du Krafla se trouve à une profondeur relativement faible, entre 1,5 et 3 km seulement sous la surface, avec des températures atteignant 1 300°C. Elle  a attiré l’attention de manière tout à fait inattendue en 2009 lors d’un projet de forage géothermique pour le compte de la société Landsvirkjun. Un trépan a rencontré par hasard une poche magmatique près du Krafla, à 2,1 km de profondeur. L’incident n’a pas provoqué d’éruption volcanique, ce qui montre qu’un forage directement dans le magma peut être effectué en toute sécurité. A des kilomètres sous terre, la roche atteint des températures si extrêmes que les fluides rencontrés sont dits « supercritiques », c’est-à-dire au comportement intermédiaire entre l’état liquide et gazeux. L’énergie produite y est cinq à dix fois plus importante qu’avec un puits conventionnel. Lors de l’accident de 2009, la vapeur remontant à la surface a atteint 450°C. Deux puits supercritiques suffiraient pour atteindre la puissance de 60 mégawatts, ce que génère la centrale actuellement avec 18 puits conventionnels.
Le financement de 100 millions de dollars permettra d’accélérer l’avancement de ce projet grâce à l’acquisition des équipements de forage les plus performants, capables de résister à des températures extrêmement élevées. KMT a également l’intention de déployer un ensemble de capteurs haute technologie pour surveiller en permanence différents paramètres du magma, notamment sa température. L’équipe KMT s’est fixé un calendrier ambitieux, visant à exploiter la chambre magmatique du Krafla d’ici 2026.
D’un coût de 25 millions de dollars, la première phase de forage prévoit plusieurs trous d’exploration autour  du magma. Le forage, maintenu ouvert, permettra ensuite d’atteindre le magma et de prélever des échantillons. Grâce à cette exploration directe, les scientifiques de KMT espèrent améliorer leur compréhension du magma et de ses propriétés. KMT prévoit de procéder ensuite à un deuxième forage pour examiner la faisabilité de l’exploitation de l’énergie géothermique.
L’énergie géothermique est utilisée en Islande depuis plusieurs années grâce à un processus qui suppose des forages dans des régions dont le sous-sol est à haute température afin d’exploiter la chaleur naturelle de la Terre. La chaleur en provenance de l’intérieur de la Terre chauffe l’eau des réservoirs souterrains et la transforme en vapeur. Cette vapeur est ensuite canalisée à l’aide d’une tuyauterie vers des turbines reliées à des générateurs qui convertissent l’énergie en électricité. En Islande, cette stratégie s’est avérée efficace pour produire de l’électricité et répondre à une grande partie des besoins énergétiques de la population.

Avec la réussite du projet, l’Islande anticipe un bouleversement de son paysage énergétique. Le projet KMT pourrait non seulement transformer la production d’énergie en Islande, mais aussi servir de modèle pour d’autres régions volcaniques à travers le monde, tant sur terre qu’en mer.
Source  : Interesting Engineering.
Remarque personnelle : le projet KMT est ambitieux, mais il ne devra pas oublier que le Krafla est un volcan actif dont les éruptions peuvent être très spectaculaires. Le choix des emplacements des forages et des infrastructures devra se faire avec le plus grand soin pour éviter leur destruction par un accès de colère du volcan.

Photos: C. Grandpey

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Researchers and scientists have worked out a project to transform the renewable energy landscape by drilling into the heart of a volcano’s magma chamber. Initiated in 2014, the ambitious Krafla Magma Testbed (KMT) project aims to tap into the magma chamber of Krafla in northern Iceland by 2026.

To make this vision a reality, KMT is actively seeking 100 million dollars in funding, with plans to begin drilling by 2027. KMT is an international initiative that seeks to construct the « world’s first magma research facility for advanced studies and experiments. » The project is led by scientists and engineers from 38 research institutes and companies from eleven countries including the United States, the United Kingdom and France. If successful, this strategy would allow for unparalleled geothermal energy output, opening the path to provide a limitless energy supply to houses across Iceland.

Krafla evinces a volcanic caldera with a diameter of around ten kilometers and a 90-kilometer-long fissure zone. It is recognized as one of the most extensively studied geothermal systems. It is the site of the country´s first geothermal power station.

Krafla’s magma chamber is located at a relatively short depth of only 1.5 – 3 km below the surface, with temperatures reaching 1,300°C.

The shallow depth of Krafla’s magma chamber gained attention unexpectedly in 2009 during a geothermal drilling project for the Iceland energy company Landsvirkjun. The project unexpectedly encountered a magma chamber near the Krafla volcano, at a depth of 2.1 km. The fact that the crew was not immediately faced with a volcanic eruption provided reassuring evidence that drilling into magma could be done safely. Kilometers underground, the rock reaches temperatures so extreme that the fluids encountered are called « supercritical », that is to say with intermediate behavior between the liquid and gaseous state. The energy produced there is five to ten times greater than in a conventional well. During the 2009 accident, the steam rising to the surface reached 450°C. Two supercritical wells would be enough to reach the power of 60 megawatts that the plant currently generates with 18 conventional wells.

The 100-million-dollar funding will expedite the advancement of this project by enabling the acquisition of advanced drilling equipment capable of withstanding higher temperatures.  KMT also intends to deploy a set of high-tech sensors to continually monitor different magma parameters, including temperature.

The first phase of drilling should be carried out by 2026 or 2027. Costing $25 million, it includes several exploration holes around and below the magma. The drilling, kept open, will make it possible to reach the magma and take samples.

The first borehole is likely to be drilled by either 2026 or 2027. Through this direct exploration, KMT scientists aim to enhance their understanding of magma and its properties. Following this, KMT plans to drill a second borehole to examine the feasibility of harnessing geothermal energy.

Geothermal energy has been utilized in Iceland for several years through a process that involves drilling into hot underground regions to tap into the Earth’s natural heat. The heat from the Earth’s interior causes water in these underground reservoirs to become hot and turn into steam. This steam is then channeled to drive turbines connected to generators, converting the energy into electricity. In Iceland, this strategy has proven effective in producing power and meeting a large amount of the country’s energy requirements.

As the project unfolds, Iceland anticipates a revolutionary shift in its energy landscape, harnessing the power of volcanoes to provide a renewable and sustainable source of electricity for homes and industries. The KMT project could not only transform energy production in Iceland, but also serve as a model for other volcanic regions around the world, both on land and at sea.

Source : Interesting Engineering.

Personal note: the KMT project is ambitious, but it should not forget that Krafla is an active volcano whose eruptions can be very spectacular. The choice of drilling and infrastructure locations should be made with the greatest care to avoid their destruction by the volcano’s anger.

Long Valley : une menace pour la Californie ? // Is Long Valley a threat to California ?

La caldeira de Long Valley, qui comprend la région de Mammoth Lakes, est considérée comme l’un des volcans les plus dangereux de Californie. Depuis 2018, au vu du classement de l’USGS, la caldeira fait partie des trois volcans de l’État représentant une « menace très élevée ». Les deux autres volcans californiens appartenant à cette classification sont le mont Shasta et la zone volcanique de Lassen, dominée par Lassen Peak.

 

Un trio volcanique infernal ? De haut en bas : Long Valley (Crédit photo : Daniel Mayer / Wikipedia) : Mt Shasta et Lassen Peak (Photos : C. Grandpey)

Pour établir sa classification, l’USGS a pris en compte la menace potentielle d’un volcan et le nombre de personnes et de biens exposés au risque éruptif.
Les conclusions des scientifiques ont été publiées dans la revue Science Advances. L’étude complète peut être consultée en cliquant sur ce lien :
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi9878#:~:text=The%20upper%2Dcrust%20lid%20confining,of%20recent%20upper%20crust%20intrusions.

La caldeira de Long Valley est une vaste dépression à l’est de la Sierra Nevada. Elle se trouve à environ 65 km à l’est de Yosemite, à 320 km à l’est de San Francisco et à 400 km au nord de Los Angeles. Elle a été façonnée par une super-éruption il y a environ 760 000 ans. Le volcan a vomi 600 kilomètres cubes de magma, recouvrant une grande partie du centre-est de la Californie de cendres à haute température dont les nuages ont atteint l’actuel Nebraska.

Carte schématique de la caldeira de Long Valley. (Source : Wikipedia)

Les scientifiques étudient depuis longtemps la caldeira de Long Valley où l’on constate une hausse significative de la sismicité et des mouvements du sol depuis une quarantaine d’années. En particulier, il y a eu quatre séismes de M 6,0 dans la région de Long Valley en mai 1980. Cependant, de tels événements ne signifient pas nécessairement qu’une éruption se produira à court terme.
Les chercheurs sont persuadés que nous ne verrons pas une super éruption dans la caldeira de Long Valley de notre vivant car le magma sous la région est en cours de refroidissement et est donc de moins en moins actif
Pourtant, les phénomènes géologiques observés récemment ont posé une double question importante aux scientifiques : que signifient la hausse de l’activité sismique et la déformation du sol ? Est-ce le signe avant-coureur de quelque chose d’alarmant ?
Une première chose est de savoir s’il y a suffisamment de magma dans les conduits d’alimentation du réservoir souterrain pour déclencher une éruption. Une autre question est de savoir s’il y a une explication aux séismes et aux mouvements du sol alors que le magma est en cours de refroidissement et donc de solidification. Les scientifiques pensent qu’il pourrait y avoir d’autres fluides non magmatiques en train de remonter vers la surface et susceptibles de déclencher des séismes. Les scientifiques de Caltech ont conclu que la région ne se prépare pas à une nouvelle super éruption. Cependant, le processus de refroidissement du magma peut libérer suffisamment de gaz et de fluides pour provoquer des séismes et de petites éruptions.
Certains scientifiques sont persuadés que la caldeira de Long Valley est morte en tant que volcan et que l’activité sismique intense enregistrée de temps en temps est générée par des fluides qui sont encore chauds et se déplacent vers la surface à mesure que le magma se refroidit et se solidifie.
D’autres scientifiques pensent que la caldeira de Long Valley est encore active. Le dernier épisode d’activité sismique dans la région a commencé en 2011 et s’est accompagné d’une déformation du sol, avec élévation de la surface. Cette activité a diminué et depuis 2020 on observe à nouveau une phase calme. Cependant, ces mêmes scientifiques pensent qu’une éruption magmatique ne saurait être exclue. Ils font remarquer que, même si la caldeira de Long Valley proprement dite est ancienne et son magma se refroidit et se cristallise, il existe des coulées de lave extrêmement jeunes le long de la chaîne voisine de cratères de Mono-Inyo. Cela montre que d’autres poches de magma subsistent dans la région. En outre, il ne faudrait pas oublier que la région constitue toujours une menace importante et peut être le siège de puissants essaims sismiques.
Source : Science Advances, The Los Angeles Times.

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The Long Valley Caldera, which includes the Mammoth Lakes area, is one of California’s riskiest volcanoes. The caldera was classified in 2018 by the U.S. Geological Survey (USGS) as one of three volcanoes in the state considered a « very high threat ». The two other volcanoes in California with that classification are Mt. Shasta and the Lassen Volcanic Center, which includes Lassen Peak. The threat assessment is defined as a combination of a volcano’s potential threat and the number of people and properties exposed to it.

The scientists’ findings were published in the journal Science Advances. The complete study can be found by clicking on this link :

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi9878#:~:text=The%20upper%2Dcrust%20lid%20confining,of%20recent%20upper%20crust%20intrusions.

The Long Valley Caldera is a broad depression of land east of the Sierra Nevada. It’s roughly 65 km east of Yosemite Valley, 320 km east of San Francisco and 400 km north of Los Angeles. Itwas formed by a super-eruption about 760,000 years ago that blasted 600 cubic kilometers of magma, covering much of east-central California in hot ash that was blown as far away as present-day Nebraska.

Scientists have long scrutinized the Long Valley Caldera, where there have been noticeable increases in earthquakes and the ground fluctuations that began four decades ago. In particular, there were four M 6.0 earthquakes in the Long Valley area in May 1980. However, such events do not necessarily mean an eruption will occur in the short term.

Researchers are persuaded the risk of a supervolcanic eruption in the Long Valley Caldera in our lifetime is extremely low,as the magma underneath the area is clearly cooling and, as such, continuing to calm down.

Still, the recent geological phenomena posed an important question for scientists: What does the increased seismic activity and deformation of the ground mean? Is it a precursor to something alarming?

A first question was to know whether there was enough magma in connected segments of the underground reservoir to combine and erupt. Another question was whether there was an explanation for the earthquakes and ground movement as the cooling magma crystallized and solidified. They thought there might be other non-magma fluids that were coming to the surface and triggering earthquakes. Then, the Caltech scientists concluded that the region was not gearing up for another supervolcanic eruption. However, the cooling process may release enough gas and liquid to cause earthquakes and small eruptions..

Some scientists suspect the Long Valley Caldera as a volcano is essentially dead and the increased seismic activity, when it happens, is being generated by fluids that are still hot and moving to the surface as the magma cools and solidifies.

Other scientits, however, argue the Long Valley Caldera is active.The most recent episode of increased earthquake activity in the area began in 2011 and was accompanied by a ground deformation in which the land started to rise. That activity has tapered off, and since 2020, a quiet phase has resumed. However, these scientists believe a magmatic eruption is still something to consider. While the Long Valley Caldera itself is old and its magma is cooling and crystallizing, there are extremely young lava flows along the nearby Mono-Inyo Craters chain. This shows there are other pockets of magma in the area..Besides, it is important to understand the area still poses a significant threat and remains capable of powerful earthquake swarms.

Source : Science Advances, The Los Angeles Times.

La sismicité sous le Mauna Kea (Hawaii) // Seismicity beneath Mauna Kea (Hawaii)

Le Mauna Kea n’a pas connu d’éruptions depuis plus de 4 500 ans, mais cela ne signifie pas que c’est un volcan éteint. En fait, depuis des décennies, il cache l’un des signaux sismiques les plus étranges jamais observés sur un volcan.
Il y a plusieurs années, les sismologues de l’USGS testaient une nouvelle méthode d’analyse de la sismicité sur le Kilauea. Elle consiste à analyser des fractions de 24 heures de données sismiques afin de détecter des signaux similaires sur plusieurs appareils. Par curiosité, ils ont décidé d’étendre leurs observations au reste de l’île d’Hawaii. Ce qu’ils ont découvert est surprenant. Une étude publiée dans la revue Science en mai 2020 explique qu’ils ont détecté des séismes profonds sous le Mauna Kea, avec une répétition toutes les 7 à 12 minutes. La pollution sonore générée par le vent et les voitures à proximité, ainsi que la faible magnitude (M 1.5) des séismes avaient empêché leur détection par le réseau sismique traditionnel. .
Ces petits séismes se produisent à des profondeurs d’environ 15 – 25 km directement sous le sommet du Mauna Kea, toutes les 7 à 12 minutes avec une régularité surprenante. En outre, ces événements répétitifs apparaissent depuis au moins l’année 1999, mais il est très probable qu’ils se produisaient bien avant cette date.
Les scientifiques se sont tout d’abord montrés prudents avant d’attribuer ces séismes à des processus volcaniques car leur régularité semblait artificielle. Ils ont pris le temps d’éliminer toutes les causes possibles, comme les activités dans la zone d’entraînement de Pohakuloa ou les travaux routiers.
Un facteur permettant d’interpréter l’origine des séismes répétés et profonds du Mauna Kea est que leurs ondes sismiques sont différentes de celles des séismes classiques. Alors que les séismes classiques donnent naissance essentiellement à des événements haute fréquence, ceux du Mauna Kea sont plus prolongés, avec des fréquences plus basses. Cela signifie qu’un décrochement sur une faille n’est pas la cause de ces événements.
Les séismes basse fréquence peuvent se produire sur les volcans, mais il n’y a aucun autre exemple de ce type de répétition ou de longévité dans le monde. Au total, on a enregistré plus d’un million de secousses sismiques sur le Mauna Kea entre 1999 et 2018. Cumulée, l’énergie ainsi libérée correspond à un séisme de M 3.0 sous le volcan chaque jour. En mettant ensemble les signaux produits par ces milliers de ces séismes, on peut examiner leur forme d’onde plus en détail. Les résultats montrent que ces événements sont probablement causés par le mouvement de fluides au-dessus d’une chambre magmatique profonde. À mesure que les fluides s’élèvent, ils pénètrent dans une fissure hermétique dans sa partie supérieure. L’arrivée continue de fluide met la fissure sous pression, ce qui finit par briser l’obturation à son sommet et déclencher un séisme. La fissure se referme ensuite, et tout recommence.
La question est de savoir d’où proviennent ces fluides. La source d’alimentation réside probablement au niveau des gaz magmatiques qui se comportent comme des fluides lorsqu’ils se trouvent dans les profondeurs de la croûte terrestre. Ces gaz se séparent du magma en se refroidissant. Les grandes poches magmatiques mettent des centaines à des milliers d’années pour se refroidir, donc ce processus génère des fluides sur le long terme, ce qui pourrait expliquer la présence des séismes profonds sous le Mauna Kea.
Selon cette interprétation, les fluides sont produits par le refroidissement du magma en place. Rien n’indique toutefois qu’il y ait une ascension du magma sous le Mauna Kea. Bien que cette étude donne un aperçu intéressant des processus en cours sous le volcan, elle ne change en rien le niveau de risque volcanique du Mauna Kea. Si une éruption devait être imminente, les scientifiques de l’USGS pensent que l’ouverture d’un nouveau conduit d’alimentation s’accompagnerait d’essaims sismiques à faible profondeur pour avertir à l’avance d’une activité éruptive imminente.
Les séismes profonds qui ont été détectés par les scientifiques de l’USGS confirment que le Mauna Kea reste un volcan potentiellement actif.
Source: USGS, HVO, AVO.

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Mauna Kea volcano hasn’t erupted in over 4,500 years, but that doesn’t mean it is quiet. In fact, for decades it has been hiding one of the most unique seismic signals seen at any volcano.

Several years ago, USGS seismologists were trying out a new method to track seismicity at Kilauea Volcano. The method scans 24-hour sections of seismometer data looking for signal similarity on many instruments. Out of curiosity, they decided to look at the rest of the Island of Hawaii to see what else they might find. What they found came as a surprise. A study published in the journal Science in May 2020 describes how they detected deep earthquakes beneath Mauna Kea that repeat every 7 to 12 minutes. Noise in the seismic records from wind and nearby cars, together with the small size of the individual earthquakes (magnitude M 1.5), had prevented these earthquakes from being detected with the regular earthquake detection system.

The small, repeating earthquakes occur at depths of about 15-25 km directly beneath Mauna Kea’s summit and happen every 7 to 12 minutes with surprising regularity. Furthermore, the repeating events can be detected going back to at least 1999, but it is very likely that the repeating earthquakes were occurring even further back in time.

Scientists were initially cautious about interpreting the earthquakes due to volcanic processes because the regularity seemed man-made. It took a long period of investigation to rule out all of the possibilities, such as activity at the Pohakuloa Training Area or road construction.

One clue to the origin of the repeating, deep Mauna Kea earthquakes is that their seismic waves look different from those of ordinary earthquakes. Where regular earthquakes produce more high frequency shaking, the Mauna Kea events are more drawn out, containing lower frequencies. This means that regular slip on a fault is not responsible for the deep Mauna Kea events.

Low-frequency earthquakes are not unusual at volcanoes, but there is no other example of this kind of repetition or longevity anywhere in the world. Ultimately, over 1 million earthquakes were found from 1999 to 2018. Summing the energy release of the earthquakes gives a total that is equivalent to an M 3.0 earthquake under Mauna Kea every day. Adding together the signals of thousands of these earthquakes allows the waveform to be examined in greater detail, and the results suggest the events are caused by the movement of fluids above a deep magma chamber. As the fluids ascend, they enter a crack that is sealed at the top. The continuous flow of fluid pressurizes the crack, eventually breaking the top seal and creating the earthquake. The crack then reseals, and everything starts over again.

The question is to know where these fluids come from. The source of the fluid dupply is likely magmatic gases that behave like fluids when they are deep within the Earth’s crust. These gases separate from the magma as it cools. Large magma bodies cool over hundreds to thousands of years, so this process provides a long-term, nearly continuous supply of fluids to repeatedly drive deep earthquakes beneath Mauna Kea.

Under this interpretation, the fluids are produced from magma cooling in place. There is no evidence that magma is rising under Mauna Kea. So while this study provides important insight into processes beneath the volcano, it does not change estimates of volcanic hazard at Mauna Kea. USGS scientists expect any opening of a new conduit will be accompanied by swarms of shallow earthquakes to provide advanced warning of impending eruptive activity.

The earthquakes nonetheless underscore that Mauna Kea is classified as an active volcano.

Source : USGS, HVO, AVO.

Photos: C. Grandpey