Mesure des gaz sur le Kilauea (Hawaii) // Gas measuring on Kilauea Volcano (Hawaii)

Lors d’une éruption, le dioxyde de soufre (SO2) est souvent mentionné par les volcanologues. À Hawaii, c’est la principale composante du vog, ou brouillard volcanique. Cependant, d’autres gaz sont présents dans un panache éruptif et il est intéressant d’étudier leur rapport, comme celui entre le SO2 et le HCl (dioxyde de soufre/chlorure d’hydrogène). Il est également intéressant de connaître la quantité de CO2 (dioxyde de carbone) dissous dans le verre volcanique.
Sur le Kilauea, c’est le travail de l’Hawaiian Volcano Observatory (HVO) d’effectuer ces analyses. Pour réaliser les mesures, les scientifiques de l’Observatoire utilisent un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF ou FTIR pour Fourier Transform InfraRed spectroscopy). Ce type de spectromètre détecte le rayonnement infrarouge (IR) entrant ; c’est le type de rayonnement associé aux objets chauds ou tièdes qui ont des longueurs d’onde légèrement plus longues que la lumière visible que perçoivent les yeux.
Il s’avère que les gaz absorbent le rayonnement et que chaque gaz – CO2, HCl, SO2, H2O (sous forme de vapeur d’eau), par exemple – a sa propre signature unique de la quantité de rayonnement qu’il absorbe à différentes longueurs d’onde.
Un exemple un peu différent, mais bien connu, de gaz absorbant est l’ozone (O3). L’ozone dans l’atmosphère nous protège d’une partie des rayons ultraviolets (UV) nocifs du soleil (longueurs d’onde plus courtes que la lumière visible) en absorbant très fortement les longueurs d’onde UV. Le SO2 absorbe lui aussi fortement dans la gamme UV ; c’est pour cela que le HVO utilise les UV pour mesurer les taux d’émission de SO2.
Cependant, de nombreux gaz volcaniques n’absorbent pas très bien les UV; en revanche, ils absorbent fortement dans la gamme infrarouge ( IR). En conséquence, les scientifiques du HVO se tournent vers le FTIR pour effectuer les mesurer. L’Observatoire possède deux types de spectromètres FTIR qu’ils utilisent pour des applications différentes.
Pour mesurer les gaz dans l’atmosphère, les scientifiques utilisent le spectromètre FTIR ‘de terrain’ et se rendent sur le site où le volcan émet le panache volcanique. Une source d’énergie IR est nécessaire et la lave convient parfaitement car elle est très chaude. Ainsi, lorsqu’une éruption se produit, les scientifiques peuvent orienter le FTIR vers de la lave incandescente. S’il n’y a pas de lave à portée de main, ils peuvent toujours mesurer le gaz en dirigeant le FTIR vers une lampe spéciale qui génère des IR.
Une fois la source IR obtenue, les scientifiques doivent positionner le FTIR de telle sorte que le gaz volcanique se trouve entre la source IR et le FTIR. Le FTIR mesure les quantités relatives de rayonnement IR à différentes longueurs d’onde, dont une partie est absorbée par les gaz volcaniques. Ils analysent ensuite les données et calculent des ratios de gaz majoritaires, comme CO2/SO2 et le SO2/HCl, qui peuvent donner des informations sur la façon dont le magma et les gaz volcaniques sont véhiculés dans le système d’alimentation du volcan.
Le deuxième spectromètre FTIR reste dans le laboratoire où il est utilisé pour mesurer de petites quantités de H2O et de CO2 dissous dans les minéraux et le verre volcanique. Le principe reste le même que pour le FTIR de terrain. Le FTIR de labo dispose d’une source IR et d’un détecteur de rayonnement qui mesure l’intensité IR à de nombreuses longueurs d’onde différentes. Au lieu d’un panache volcanique pour effectuer les mesures, les scientifiques insèrent une fine lame de minéral ou de verre soigneusement polie entre la source IR et le détecteur.
Les minéraux et les verres, en particulier ceux qui sont émis par des volcans riches en gaz, contiennent souvent du CO2 et du H2O encore dissous qui absorbent les infrarouges à ces longueurs d’onde caractéristiques, tout comme les gaz volcaniques dans l’atmosphère. Dans la mesure où les scientifiques connaissent l’épaisseur de la minuscule lame de verre ou de minéral, le FTIR peut alors leur indiquer quelle quantité de gaz est dissoute dans ce petit échantillon solide. Une fois qu’ils ont ces informations, les scientifiques peuvent déterminer, par exemple, de quelle profondeur provient le matériau émis pendant éruption et à quelle vitesse il a été émis.
Source : USGS/HVO.

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During an eruption, sulfur dioxide (SO2) is often mentioned by volcanologists. In Hawaii, it is the major component of vog, or volcanig smog. However, other gases are present in an eruptive plume and it is interesting to study their ratio, such as the one between SO2 and HCl (sulfur dioxide/hydrogen chloride). It is also interesting to know the amount of CO2 (carbon dioxide) dissolved in volcanic glass.

On Kilauea volcano in Hawaii, it is up to the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) to perform these analyses. To make the measurements, scientists at the Observatory use a Fourier Transform Infrared spectrometer, or FTIR. FTIR instruments detect incoming infrared (IR) radiation; this is the type of radiation associated with hot or warm objects having wavelengths slightly longer than the visible light we can see with our eyes.

It turns out that gases absorb radiation, and each gas – CO2, HCl, SO2, H2O (water vapour), and others – has its own unique signature of how much it absorbs at different wavelengths.

One slightly different, but common, example of an absorbing gas is ozone (O3). Ozone in the atmosphere protects us from some of the sun’s harmful ultraviolet (UV) radiation (shorter wavelengths than visible light) by absorbing UV wavelengths very strongly. SO2 also absorbs strongly in the UV range; HVO uses UV to measure SO2 emission rates.

However, many important volcanic gases don’t absorb UV very well, but they do absorb strongly in the IR range. So, HVO scientists turn to FTIR to measure them. HVO has two different types of FTIR, which they use for different applications.

For measuring gases in the atmosphere, scientists take the ‘field FTIR’ and head out to where the volcanic plume is. A source of IR energy is needed and lava is a great source of IR because it is very hot. So, when an eruption takes plave,scientists can aim the FTIR at hot, glowing lava. If there is no lava around, they can still measure the gas by aiming the FTIR at a special lamp that generates IR.

Once the IR source is obtained, scientists need to position the FTIR so the volcanic gas is between the IR source and the FTIR. The FTIR measures relative amounts of IR radiation at different wavelengths, some of which is absorbed by the volcanic gases. They then process the data and calculate important gas ratios, like CO2/SO2 and SO2/HCl, which can give information about how magma and volcanic gases are transported in the volcanic plumbing system.

The second FTIR stays in the lab where it is used for measuring small amounts of H2O and CO2 dissolved in minerals and volcanic glass. The principles are the same as with the previous instrument. The lab FTIR has an IR source and a radiation detector that measures IR intensity at many different wavelengths. But instead of a volcanic plume passing between them, the scientists insert a tiny, carefully polished chip of mineral or glass into the path between the IR source and the detector.

Minerals and glasses, especially those that erupt out of gas-rich volcanoes, often have CO2 and H2O still dissolved in them, which will absorb IR at those characteristic wavelengths just like volcanic gases in the air. As long as scientists know how thick the tiny chip of glass or mineral is, the FTIR can then tell them how much of those gases are dissolved in those little solid pieces. Once they know that, they can determine, for instance, how deep the erupted material came from and how quickly it erupted.

Source : USGS / HVO.

Scientifique du HVO utilisant le spectromètre FTIR de terrain au cours de la dernière éruption du Kilauea (Source: USGS / HVO)

Eruption du Cumbre Vieja (La Palma) : Dernières nouvelles // Cumbre Vieja eruption (La Palma) : Latest news

2 octobre 2021 – 12 heures: L’éruption du Cumbre Vieja continue. Le volcan continue de vomir sa lave et d’expulser de volumineux panaches de cendres. Selon les données Copernicus, depuis le début de l’éruption, elles ont couvert une superficie de 3 304 hectares.

Une nouvelle zone de confinement a été décrétée à La Palma en raison des conditions météorologiques qui empêchent la dispersion des gaz et les maintient à des niveaux bas de l’atmosphère. Ce confinement touche environ 3 500 personnes. Elles sont priées de fermer les portes, les fenêtres, les volets et toute prise d’air de l’extérieur.

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18 heures : L’Institut volcanologique des îles Canaries (Involcan) a confirmé l’ouverture d’une nouvelle source d’émission dans la fracture ouverte par l’éruption du Cumbre Vieja. Elle s’ajoute aux deux nouvelles bouches qui sont apparues le 1er octobre au matin. Pour le moment, l’éruption ne montre pas le moindre signe de faiblesse et personne ne peut dire combien de temps elle durera.
La coulée de lave émise par les deux bouches qui se sont ouvertes le 1er octobre s’est jointe aujourd’hui à la coulée initiale.
À l’heure actuelle, l’éruption volcanique a détruit 28,3 kilomètres de routes, a endommagé ou détruit 1 005 bâtiments, et a provoqué l’évacuation de 5 500 personnes.

Source: Presse espagnole.

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October 2nd, 2021 – 12:00 pm : The eruption of Cumbre Vieja continues. The volcano continues to vomit its lava and expel voluminous ash plumes. According to the Copernicus data, since the start of the eruption, they have covered an area of 3,304 hectares.
A new containment zone has been declared in La Palma due to weather conditions that prevent the dispersion of gases and keep them at low levels in the atmosphere. This confinement affects around 3,500 people. They are asked to close doors, windows, shutters and all air intakes from the outside.

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6:00 p.m .: The Volcanological Institute of the Canary Islands (Involcan) has confirmed the opening of a new source of emission in the fracture opened by the eruption of Cumbre Vieja. It is added to the two new vents that appeared on the morning of October 1st. At the moment, the eruption is not showing any sign of weakness and no one can say how long it will last.
The lava flow emitted from the two vents that opened on October 1st merged with the initial flow today.
To date, the volcanic eruption has destroyed 28.3 kilometers of roads, damaged or destroyed 1,005 structuress, and caused the evacuation of 5,500 people.
Source: Spanish news media..

Le volcan continue d’émettre de très volumineux panaches de cendre (capture écran webcam)

Le danger des gaz sur les volcans actifs // The danger of gases on active volcanoes

Selon INVOLCAN, le volcan Cumbre Vieja à La Palma a émis entre 6 000 et 9 000 tonnes de SO2 par jour au cours de la dernière éruption. Les gaz qui sont initialement dissous dans le magma se séparent du magma pendant l’éruption et sont libérés dans l’atmosphère à des températures et des vitesses élevées. Il ne faut pas oublier que les gaz sont le moteur des éruptions et leur étude est essentielle à la compréhension du dynamisme éruptif.
Les gaz peuvent également s’échapper de petites fissures dans l’édifice volcanique et dans la zone environnante. Les scientifiques surveillent attentivement ces fumerolles car certains gaz, comme le dioxyde de carbone, sont lourds et peuvent se déplacer à quelques centimètres au-dessus du sol avant de se disperser dans l’atmosphère.
Les gaz éjectés dans l’atmosphère peuvent provoquer des pluies acides en se condensant ou pendant un épisode pluvieux. Ils peuvent alors endommager les cultures mais aussi provoquer des maux de tête, des irritations de la peau et des yeux. Cela se produit essentiellement à proximité du volcan en éruption. Plus on s’en éloigne, plus les gaz se diluent dans l’atmosphère et deviennent beaucoup moins agressifs.
On a beaucoup parlé dans les médias du nuage de SO2 de l’éruption de La Palma. Il devait atteindre l’Espagne continentale puis la France, mais le risque de problèmes de santé ou de pluies acides dans ces pays est très faible. En effet, le nuage de SO2 dilué passe à environ 5 km au-dessus de nos têtes et la seule indication de sa présence sera un léger voile de brume dans le ciel.
La lave est encore loin de l’océan à La Palma. Le front de coulée le plus proche doit encore parcourir plus de deux kilomètres pour atteindre le littoral. Au début de l’éruption, certaines personnes s’inquiétaient de ce qui se passerait si la lave pénétrait dans la mer.
Ce phénomène s’est produit à plusieurs reprises à Hawaii et l’Observatoire des volcans d’Hawaii (le HVO) a mis en garde à plusieurs reprises les gens contre les dangers des entrées de lave dans l’océan. Malgré ces avertissements, les populations locales et les touristes se mettent souvent en danger en s’approchant trop près de l’entrée de lave dans l’océan.
Le panache blanc produit par l’interaction de la lave et de l’eau de mer peut sembler inoffensif, mais il ne l’est pas. Le contact brutal entre la lave très chaude (1100°C) et l’eau froide (25°C) génère une brume volcanique baptisé « laze » (abréviation de lava haze) par les Hawaiiens; il est composé de vapeur d’eau de mer condensée mêlée d’acide chlorhydrique et de minuscules éclats de verre volcanique.
Ce panache se forme lorsque la lave chaude porte l’eau de mer à ébullition jusqu’à vaporisation. Le processus génère une série de réactions chimiques qui entraînent la formation d’un nuage blanc que les visiteurs doivent éviter car il peut provoquer une irritation de la peau et des yeux, voire des difficultés respiratoires. De plus, les vagues de l’océan qui déferlent sur une entrée de lave active peuvent projeter de l’eau de mer bouillante loin à l’intérieur des terres, avec un risque de brûlure pour quiconque se trouverait sur son passage. S’approcher trop près d’une entrée de lave est risqué. Sur la base de décennies d’expérience, le HVO conseille aux touristes de rester à 400 m de l’endroit où la lave pénètre dans la mer.
La direction du vent doit elle aussi être prise en compte. Lorsque le vent vient de la mer, il entraîne le panache nocif vers l’intérieur des terres et il peut devenir un réel danger pour les visiteurs.
Jusqu’à présent, quatre décès sur le Kilauea ont été liés à des entrées de lave dans l’océan.
Source : HVO, INVOLCAN.

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According to INVOLCAN, the Cumbre Vieja volcano in La Palma has emitted between 6,000 and 9,000 tons of SO2 a day. The gases that are initially dissolved in magma separate from the magma during the eruption and are released into the atmosphere at high temperatures and speeds. One should not forget that the gases are the motor of the eruption.

The gases can also escape from small fissures in the volcanic edifice and in the surrounding area. Scientists carfully monitor these fumaroles as some gases, such as carbon dioxide are heavy and can create a cloud that moves just a few centimeters above the ground before boing dispersed in the atmosphere.

Gases ejected into the atmosphere can cause acid rain when they meet with condensation or the beginning of rainfall. They can damage crops but also cause headaches, skin and eye irritation. This happens in the vicinity of the erupting volcano. Farther away, the gases get diluted in the ambient air and become far less aggressive.

A lot has been said in the media about the SO2 cloud from the La Palma eruption. It was expected to reach continental Spain and then France, but the risk of health problems or acid rain in these countries is very low. Indeed, the diluted SO2 cloud travels about 5 km above our heads and the only indication that id exists would be a slight veil of mist in the sky.

Lava is still far from the ocean in La Palma. The nearest flow front still has to travel more than two kilometres to reach the coastline. In the early phase of the eruption, some people worried about what would happen if lava entered the sea.

This phenomenon occured several times in Hawaii and the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has repeatedly cautioned people about the hazards of ocean entries. However, local people and tourists often put themselves at risk by approaching the ocean entry too closely.

The white plume produced when lava enters the sea may look harmless, but it is not. The vigorous interaction between very hot (1100°C) lava and cold (25°C) water generates a voluminous white « laze » (short for lava haze) composed of condensed seawater steam laced with hydrochloric acid and tiny shards of volcanic glass.

This laze is formed as hot lava boils seawater to dryness. The process leads to a series of chemical reactions that result in the formation of a billowing white cloud that visitors should avoid as it can cause skin and eye irritation and breathing difficulties. Moreover, ocean waves washing over an active entry can send boiling seawater farther inland than expected, scalding anyone in its path. Approaching a lava entry too closely is risky. Based on decades of experience observing ocean entries, HVO advises people to stay 400 m away from where lava enters the sea.

The wind direction should be taken into account. When the wind blows from the sea, it carries the noxious plume inland and it can become a real danger to visitors.

Until now, four deaths on Kilauea have been related to ocean entry hazards.

Source: HVO, INVOLCAN.

Panache de vapeur et de gaz sur le site d’arrivée de la lave dans l’océan à Hawaii

Explosion littorale à Hawaii

(Photos: C. Grandpey)

Mesure et cartographie des gaz sur le Kilauea (Hawaii) // Measuring and mapping gases on Kilauea (Hawaii)

Un nouvel article publié par l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) aborde un sujet fort intéressant: la mesure et de la cartographie des émissions de gaz sur le volcan Kilauea. Comme le répétait fort justement Haroun Tazieff, les gaz sont le moteur des éruptions. Leur analyse est donc essentielle pour comprendre comment fonctionne un volcan.

De grandes quantités de gaz volcaniques, tels que le dioxyde de carbone (CO2), le dioxyde de soufre (SO2) et le sulfure d’hydrogène (H2S), sont libérés dans l’atmosphère lors des éruptions volcaniques. Mais même entre les éruptions, de plus petites quantités de ces mêmes gaz continuent de s’échapper du sol et peuvent fournir des indications importantes sur l’état d’un volcan et sur le magma qui sommeille dans les profondeurs de la Terre.

Pour mesurer ces gaz, les scientifiques du HVO doivent d’abord identifier leur provenance. Des études sur le terrain à propos des émissions gazeuses dans la caldeira du Kilauea ont été réalisées dans le passé, mais aucune n’a été effectuée dans la caldeira dans son ensemble. Et aucune étude n’a été entreprise depuis l’éruption de 2018.

Au cours de l’été 2021, les scientifiques du HVO ont donc mené une étude détaillée des gaz sur le plancher et en bordure de la caldeira afin de comprendre la répartition des émissions actuelles. Les résultats seront comparés aux observations précédentes ; si des différences sont détectées, elles peuvent indiquer que le système d’alimentation au sommet du Kilauea s’est modifié en raison des effondrements survenus lors de l’éruption de 2018.

Les mesures de gaz volcaniques peuvent être effectuées à l’aide d’un MultiGAS qui pompe de l’air puis enregistre les concentrations de CO2, SO2 et H2S, plus la vapeur d’eau, en parties par million (ppm). Ces instruments MultiGAS peuvent être installés en permanence dans une zone particulière ou montés à bord d’un drone, en fonction de la zone à analyser et du type de données requises.

Pour la cartographie des gaz dans la caldeira du Kilauea au cours de l’été 2021, deux instruments MultiGAS ont été montés sur des supports dorsaux et les scientifiques du HVO ont parcouru la caldeira dans tous les sens, tout en collectant des données en continu. Leurs itinéraires de marche étaient espacés de 25 à 50 mètres afin de couvrir aussi bien la bordure de la caldeira que tout le plancher, ou bien la zone de blocs d’effondrement de l’éruption de 2018.

Même si ce travail a permis de couvrir tout le plancher de la caldeira, il restait des endroits eux aussi intéressants à analyser. Souvent, les émissions de gaz se concentrent le long de fissures ou de cavités qui permettent au gaz d’accéder facilement à la surface. De tels panaches peuvent être facilement observés dans diverses parties du plancher de la caldeira et dans des zones comme les Sulphur Banks et les Steam Vents dans le parc national. Des panaches comme ceux-ci sont souvent de bons indicateurs des endroits où les concentrations de gaz sont les plus élevées. De plus, au fur et à mesure que les gaz montent vers la surface depuis la chambre magmatique, ils interagissent avec et modifient les roches, entraînant des changements de couleur. Les zones de roches altérées peuvent révéler des émissions de gaz élevées.

Les scientifiques ont également collecté des échantillons de gaz dans des zones présentant des concentrations élevées de CO2 pour des analyses en laboratoire. Une grande seringue en plastique a été utilisée pour prélever l’échantillon qui a ensuite été transféré dans un récipient conçu pour contenir le gaz. La majorité des échantillons ont été prélevés sur les blocs d’effondrement de 2018 mentionnés précédemment car cette zone présente les concentrations les plus élevées de CO2.

Les analyses chimiques des différents isotopes de carbone dans le CO2 contenus dans ces échantillons peuvent fournir des informations sur l’emplacement du magma qui émet ces gaz. Cela permet aussi de savoir s’il s’agit d’un magma juvénile profond qui n’a encore jamais dégazé, ou d’un magma plus ancien qui a déjà été stocké pendant un certain temps dans le système d’alimentation du Kilauea.

La cartographie du plancher de la caldeira est maintenant terminée, mais les parois et le plancher du cratère de l’Halema’uma’u n’ont pas encore été cartographiés. Ils sont le site de nombreux bouches de gaz. Ces zones sont impossibles à parcourir à pied; la prochaine étape consistera donc à utiliser un MultiGAS monté sur drone.

Au final, les scientifiques du HVO produiront une nouvelle carte des émissions de gaz dans la caldeira du Kilauea en utilisant les données collectées au cours de l’été 2021. La carte sera essentielle pour déterminer si les remontées de gaz depuis le magma profond vers la surface ont été modifiées par les effondrements de 2018.

Source : USGS / HVO.

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A new article released by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) deals with the measuring and mapping of gas emissions on Kilauea Volcano.

Large quantities of volcanic gases, such as carbon dioxide (CO2), sulfur dioxide (SO2), and hydrogen sulfide (H2S), are released into the atmosphere during volcanic eruptions. But even between eruptions, smaller amounts of the same gases continue to escape and can provide important clues about the current state of the volcano and the underlying magma. But to measure them, HVO scientists first must identify where gas is coming from.

Surveys of the gas emissions from the Kilauea caldera have been done in the past but never of the entire caldera at one time. And none had been done yet after the 2018 eruption.

Over the summer of 2021, HVO scientists conducted a detailed gas survey of the caldera floor and rim in order to understand the distribution of current emissions. The results will be compared to previous surveys; if differences are detected, they may indicate that the plumbing system of Kīlauea’s summit has changed because of the 2018 collapses.

Measurements of volcanic gases can be done using a MultiGAS instrument, which pumps in air and then records the concentrations of CO2, SO2, and H2S, plus water vapor, in parts per million (ppm).

These MultiGAS instruments can be permanently stationed at an area of interest, or mounted on a drone, depending on the location and type of data needed.

For the gas mapping in the Kilauea caldera during the summer 2021, two MultiGAS instruments were mounted on backpack frames and HVO scientists walked across and around the caldera while continuously collecting data. Their routes were spaced 25 to 50 metres apart and covered areas of the caldera rim, the caldera floor, and the down-dropped block that collapsed during the 2018 eruption.

Even though the survey covered the whole caldera floor, there were more interesting spots to analyse. Often gas emissions are concentrated along cracks or holes in the ground which provide the gas an easy path to the surface. Visible plumes can be seen in various parts of the caldera floor and at the Haʻakulamanu Sulphur Banks and Steam Vents within the National Park. Visible plumes of gas like this are often good indicators of where the gas concentrations may be elevated.

As gases rise towards the surface from the magma below, they interact with and alter the rocks in the area, resulting in colour changes. Looking for this altered rock is another way to identify areas that may have elevated gas emissions.

The scientists also collected gas samples from areas that had elevated concentrations of CO2 for later laboratory analyses. A large, plastic syringe was used to collect the sample which was then transferred to a foil bag designed for holding gas. The majority of the samples were collected on the down-dropped block, as that area showed the highest concentrations of CO2.

Chemical analyses of the different forms (isotopes) of carbon in the CO2 from these samples can provide information about where the magma that is releasing these gases is located, and whether it is new, deep magma that has never degassed before, or older magma that had already been stored for some time in Kilauea’s plumbing system.

While the caldera floor mapping is now complete, the walls and floor of Halemaʻumaʻu crater have not yet been mapped and are the site of many visible gas vents. These areas are impossible to traverse by foot, so the next step is to use a UAS-mounted MultiGAS to measure gases there..

HVO scientists will produce a new map of gas emissions in the Kilauea caldera using the data collected during the summer 2021. The map will be key to determining if gas pathways from deep magma to the surface were changed by the collapses in 2018.

Source: USGS / HVO.

SulphurBanks

Steam Vents

Emissions de gaz dans le cratère de l’Halema’uma’u en 2011

Photos: C. Grandpey