Étiquette : GNSS

La géodésie sur les volcans // Volcano geodesy

Plusieurs paramètres sont à prendre en compte pour analyser le comportement des volcans et tenter de prévoir les éruptions : sismicité, température et composition des gaz, déformation du sol… Ce dernier paramètre est le domaine de la géodésie qui consiste à mesurer la déformation et l’évolution de la surface de la Terre. Un article récemment publié par le Hawaiian Volcano Observatory (HVO) nous donne plus de détails sur cette technologie.
Les principales données géodésiques actuellement utilisées par les scientifiques du HVO pour mesurer la déformation de surface sur le Kilauea sont fournies par les images GNSS (système global de navigation par satellite, qui comprend le GPS), l’inclinaison du sol (tilt en anglais) et l’interférométrie radar (InSAR).

Sur le Kilauea, le réseau de surveillance géodésique comprend plus de 70 stations GNSS et 15 inclinomètres qui enregistrent et transmettent des données en continu. Ces instruments nécessitent une maintenance; de plus, ils doivent être réactualisés périodiquement en raison de leur âge et doivent être remplacés s’ils sont détruits par l’activité volcanique comme en 2018.
A l’heure actuelle à Hawaii, le travail des scientifiques se focalise sur la reconstruction et l’amélioration du réseau géodésique afin de mieux détecter les risques liés à l’activité volcanique. Une partie du travail consiste à remplacer les instruments obsolètes et à améliorer le fonctionnement des instruments de surveillance en temps quasi réel dans des zones les plus sensibles du sommet du Kilauea et des zones de rift. Le rôle de ces instruments est de pouvoir détecter rapidement les mouvements du magma.
En 2018, des coulées de lave ont détruit 3 stations GNSS dans la Lower East Rift Zone (LERZ). Trois autres stations GNSS ont été détruites lors de l’effondrement de la caldeira sommitale du Kilauea. De nouvelles stations GNSS ont été rapidement déployées à proximité pour permettre une surveillance continue pendant la crise éruptive de 2018. Ces stations déployées rapidement comprennent des antennes GNSS montées sur trépied et qui appartiennent à la configuration utilisée pour les situations temporaires d’une durée de plusieurs jours à plusieurs semaines.
Bon nombre de ces sites où des antennes ont été installées rapidement ont été supprimés après 2018. Cependant, environ 13 d’entre eux sont toujours utilisés pour la surveillance en cas d’urgence et restent sur des trépieds temporaires. Ces sites seront modernisés et de nouveaux sites seront également mis en place pour remplacer ceux détruits en 2018.
Le HVO a déployé 3 nouvelles stations GNSS à fonctionnement semi-continu suite à l’éruption du Kilauea en décembre 2020. Ces stations ont permis aux scientifiques d’avoir une vue plus complète du retour du magma vers le sommet.
De même, le HVO a déployé un équipement GNSS à réponse rapide sur 2 repères préexistants lors de l’intrusion magmatique au niveau de la caldeira sud du Kilauea en août 2021. Cela a permis aux scientifiques de suivre la migration du magma depuis la caldeira vers le sud.
Dans l’article, l’Observatoire explique que le réseau géodésique permet aux scientifiques de surveiller les déformations du sol sur les volcans, de réagir face aux éruptions et de mieux comprendre le stockage et le mouvement du magma sous terre.
Source : USGS, HVO.

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Several parameters need to be taken into account to analyse the behaviour of volcanoes and try to predict eruptions: seismicity, gas temperature and composition, ground deformation… This last parameter is the domain of geodesy which is the study of measuring and understanding how the Earth’s surface deforms and changes. As article recently published by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) gives us more details about this technology.

The main geodetic datasets currently used by HVO scientists to measure surface deformation on Kilauea Volcano are GNSS (global navigation satellite system, which includes GPS), tilt, and satellite radar (InSAR) imagery.

On Kilauea, geodetic monitoring network includes over 70 GNSS stations and 15 tiltmeters that continuously record and transmit data. These instruments require routine maintenance, must be upgraded periodically due to age, and must be replaced if destroyed by volcanic activity such as in 2018.

Current upgrades focus on rebuilding and improving HVO’s geodetic network in order to better detect and respond to volcanic hazards related to Hawaiian Volcanoes. Some of the network upgrades include replacing out-of-date instruments and improving the network of near real-time monitoring instruments at critical areas on Kilauea’s summit and rift zones to support early detection of magma movement.

In 2018, lava flows destroyed 3 GNSS stations in the lower East Rift Zone. Another 3 GNSS stations were destroyed in the caldera collapses at Kilauea’s summit. New GNSS stations were rapidly deployed at nearby locations to allow for continued monitoring during the 2018 crisis. These rapidly deployed stations included GNSS antennas mounted on surveys tripods, which is a set-up used for temporary deployments that last several days to weeks.

Many of these rapidly deployed sites were removed after 2018. However, approximately 13 of them are still being used for emergency monitoring and remain on temporary tripods. These sites will be upgraded and new sites will also be installed to replace those destroyed in 2018.

HVO has deployed 3 new semi-continuous GNSS stations in response to the December 2020 Kilauea eruption. These stations gave scientists a more complete view of magma returning to the summit.

Similarly, HVO deployed rapid-response GNSS equipment at 2 pre-existing benchmarks during the Kilauea south caldera intrusion event in August 2021, allowing scientists to track the migration of magma from the south caldera to farther south.

In the article, the Observatory explains that the geodetic network ensures that scientists can monitor changes in the shape of volcanoes, respond to eruptions, and understand magma storage and movement underground.

Source: USGS, HVO.

Station géodésique GNSS sur le plancher de la caldeira du Kilauea (Crédit photo : HVO)

Exemple d’interférogramme InSAR du Kilauea pendant l’éruption de 2018 (Source: NASA / Université de Liverpool).

Satellites et prévision sismique // Satellites and seismic prediction

Les séismes font partie des phénomènes naturels les plus destructeurs, mais aussi des difficiles à prévoir. Il faut bien admettre que, pour le moment, nous ne sommes pas en mesure de dire quand ils se produiront. Nous connaissons les régions susceptibles d’être secouées, mais nous ne savons pas quand, ni avec quelle intensité.

Pour essayer d’améliorer cette situation, des chercheurs ont récemment mis au point un système de surveillance qui utilise le système mondial de navigation par satellite – Global Navigation Satellite System (GNSS) – pour mesurer les déformations de la croûte terrestre. Le système peut fournir des indications utiles dans la prévision des séismes et des tsunamis. Le titre de l’étude, publiée dans le bulletin de la Seismological Society of America est « Global Navigational Satellite System Seismic Monitoring, » autrement dit «Surveillance sismique par le système mondial de navigation par satellite».

Les chercheurs expliquent que les systèmes GNSS envoient des signaux à 2000 récepteurs sur Terre. Ces signaux permettent d’identifier la position exacte des récepteurs. Les séismes déforment la croûte sous les récepteurs et modifie donc leur emplacement.

La surveillance sismique par GNSS n’est pas aussi précise que celle effectuée par les réseaux de sismomètres capables de détecter les moindres ondes sismiques. Le système GNSS  ne peut détecter que des déplacements de quelques centimètres ou plus. En revanche, il est également capable de détecter la vitesse d’ondes sismiques de seulement quelques dizaines de nanomètres par seconde.

Pour déterminer avec précision la distribution et la magnitude des mouvements de failles, les sismologues doivent généralement attendre que les données concernant les ondes sismiques atteignent des stations éloignées les unes des autres. Cela prend parfois des dizaines de minutes, le temps que les ondes se propagent sur la Terre.

Le système GNSS prend en compte les données brutes acquises par n’importe quel récepteur connecté à Internet sur la planète, positionne les données et les retransmet dans la seconde vers n’importe quel appareil connecté à Internet. En utilisant les données fournies par 1270 stations de réception à travers le monde, les chercheurs ont constaté qu’il fallait environ une demi seconde (exactement 0,52 s) pour la transmission d’un récepteur au centre de traitement de l’Université Centrale de Washington, indépendamment de la distance de la station.

Le réseau sismique conventionnel prend parfois 15 minutes ou plus pour identifier la magnitude d’un séisme qui provoque un tsunami. De plus, les marégraphes prennent parfois jusqu’à une heure pour fournir des données, en fonction de leur proximité par rapport au séisme. S’agissant des tsunamis, le système GNSS permettra de gagner du temps et offrira une plus grande précision pour alerter les populations.

Source: The Watchers.

Voici une petite vidéo (en anglais) qui explique le principe de fonctionnement du GNSS :

https://youtu.be/gffG5sTegT4

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Earthquakes are among the most destructive natural phenomena. They are the most difficult to predict and we have to admit that for the time being we are unable to predict them. We know the areas where they are likely to happen, but we don’t know when and how powerful they will be.

To try and make things better, researchers have recently developed a monitoring system that uses the Global Navigational Satellite System (GNSS) to measure crustal deformation, which can provide seismic monitoring for large earthquakes and tsunamis. The title of the study, published in the Bulletin of the Seismological Society of America is « Global Navigational Satellite System Seismic Monitoring. »

The researchers explain that GNSS systems send signals to 2,000 receivers on Earth. These signals are used to identify the receivers’ exact locations. Earthquakes deform the crust underneath the receivers, changing their locations.

The seismic monitoring by GNSS is not as accurate as seismometer-based networks capable of detecting minute seismic waves. It can only spot displacements of centimetres or larger, but it is also able to detect seismic wave velocities as small as tens of nanometers per second.

To precisely determine fault slip distribution and magnitude, seismologists usually have to wait for the seismic wave data to reach distant stations, which sees tens of minutes of delay while the waves spread across the Earth. The GNSS system takes in raw data acquired by any internet-connected receiver on the planet, positions the data, and retransmits the data back to any internet-connected device within a second. Using data from 1 270 receiver stations across the world, the researchers found that it took the data roughly half a second (0.52 s) to travel from a receiver to the processing centre at Central Washington University, independently of station distance

The conventional seismic network could take 15 minutes or more to identify the magnitude of an earthquake that causes a tsunami. The tidal gauges would take up to an hour to deliver data, depending on their proximity to the quake. The GNSS for the tsunami will be faster ; it will save time and provide greater accuracy to warn the populations.

Source : The Watchers.

Here is a short video showing how GNSS works :

https://youtu.be/gffG5sTegT4