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La géodésie en volcanologie // Geodesy in volcanology

L’analyse du comportement d’un volcan met en oeuvre plusieurs paramètres, et donc plusieurs types d’instruments. Un article récemment mis en ligne par l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) explique le rôle joué par la géodésie pour mesurer les déformations du sol provoquées par les mouvements du magma dans les profondeurs de la Terre.
Les résultats des levés effectués après le séisme de magnitude M 7,9 à San Francisco en 1906, avec les bouleversements subis par les clôtures et les limites de propriété, ont fait comprendre l’importance de la géodésie pour interpréter les mouvements des failles, et favorisé son entrée dans les sciences de la terre.
Aujourd’hui, un géodésiste s’appuie essentiellement sur le système GPS, sans oublier pour autant les inclinomètres de forage et l’interférométrie radar (InSAR).
La géodésie sur un volcan consiste à effectuer plusieurs levés pour détecter les déplacements éventuels de points de repère. Lors de l’ascension du magma à l’intérieur d’un édifice volcanique, la roche environnante est logiquement poussée vers le haut. Toutefois, lorsque les scientifiques mesurent la position des points de repère, ils se rendent également compte que ces points s’écartent de la source magmatique. Aujourd’hui, les instruments installés en permanence sur un volcan contrôlent en permanence les points de repère afin de pouvoir détecter le moindre  mouvement du sol en quelques minutes.
Le développement et la maintenance du réseau permanent est l’un des travaux les plus importants de l’équipe géodésique du HVO. Ce réseau permanent comprend plus de 60 stations GPS et 16 inclinomètres. Les données fournies sont essentielles pour l’évaluation des risques. En particulier, les inclinomètres, qui sont ides instruments extrêmement sensibles, sont souvent les premiers à indiquer l’inflation de l’édifice volcanique lors de sa mise sous pression par le magma.
L’équipe géodésique du HVO est responsable de l’analyse et de l’interprétation des données fournies par les instruments qui fonctionnent parfaitement grâce à d’autres membres du personnel de l’Observatoire. Les ingénieurs construisent, installent et entretiennent les instruments utilisés sur le terrain. Les informaticiens s’assurent que les ordinateurs communiquent correctement avec les sites éloignés à partir desquels les données sont transmises et que tout fonctionne normalement pour analyser les données.
Outre le réseau géodésique permanent, des campagnes sont organisées chaque année pour collecter des données de référence supplémentaires à l’aide de stations GPS temporaires. Quelque 80 repères sont contrôlés chaque année pendant 2 ou 3 jours pour déterminer leurs variations annuelles de position. Dans certaines zones, ces levés permettent au HVO de déterminer plus précisément les variations de déformation sur plusieurs années.
Pour mieux interpréter les données, les géodésistes utilisent des modèles informatiques qui prévoient de manière simplifiée – avec des sphères ou des ellipsoïdes – le mouvement de la surface de la terre en fonction de l’expansion ou de la contraction des corps magmatiques. On utilise ces formes simples car elles correspondent convenablement aux données et sont moins longues à calculer que les corps de forme irrégulière. Le temps est important car plusieurs milliers de calculs sont utilisés pour tester différents modèles.

Le modèle le mieux adapté montre aux scientifiques la zone la plus probable où se déplace le magma, l’endroit où il s’accumule et donc le lieu où  il est proche de la surface et susceptible de déclencher une éruption. Cependant, les seules données géodésiques ne suffisent pas à donner une image complète d’un volcan. Elles doivent être interprétées conjointement avec des données géologiques, sismiques et gazières. C’est pour cela que les différentes équipes du HVO se réunissent pour élaborer des hypothèses sur l’activité du moment, le niveau de danger et les scénarios futurs.
Source: USGS / HVO.

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Analysing the behaviour of a volcano involves several parameters, and so several types of instruments. A recent article released by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explains the part played by geodesy to measure ground movements and deformation caused by magma in the depths on the Earth.

Results from surveys after the 1906 M 7.9 San Francisco earthquake, which offset fence lines and property boundaries, had a profound impact on researchers’ understanding of how faults move and favoured the entrance of geodesy into the earth sciences.

Today, a geodesist relies essentially on Global Positioning System (GPS) instruments, without forgetting borehole tiltmeters and satellite radar (InSAR).

Geodesy on a volcano consists in performing multiple surveys to determine how benchmark positions have changed. As magma moves into a volcano, the surrounding rock is pushed outward. When scienntists measure positions of benchmarks on the surface of the volcano, they also realise that they have also been pushed away from the magma source. Today, permanently installed instruments constantly monitor benchmark positions so that ground motion can be detected within minutes.

Growing and maintaining HVO’s permanent geodetic instrument network is one of the deformation group’s most important jobs. This permanent network consists of over 60 GPS stations and 16 tiltmeters, and data from it are critical for hazard assessment. In particular, tiltmeters, which are incredibly sensitive to changes in ground slope, are often the first indicator of inflation as a volcano pressurizes.

While HVO’s deformation group is responsible for analyzing and interpreting the data, it takes many others to keep the network running. HVO’s field engineers build, install, and maintain the field instruments. Information Technology staff ensure that computers can communicate with remote sites from which data are transmitted and that everything is OK to analyze the data.

Beside the permanent geodetic network, annual campaigns are organised to collect additional benchmark data using temporary GPS stations. Around 80 benchmarks are surveyed each year for 2-3 days to determine yearly changes in position. These surveys provide a higher density of measurements in certain areas, enabling HVO to more precisely determine deformation patterns over many years.

To help interpret the data, geodesists use computer models that calculate the expected motion at the earth’s surface due to expansion or contraction of magma bodies with simplified shapes, such as spheres or ellipsoids. Simple shapes are used because they adequately match the data and are less time-consuming to calculate than irregularly shaped bodies. Time is important because many thousands of calculations are used to test different models.

The best-fitting model shows scientists the most likely place that magma is moving into or out of the volcano, as well as where magma is accumulating and how close it is to the surface. However, no single type of data gives the whole picture of a volcano, so geodetic data needto be interpreted along with geologic, seismic and gas data. HVO’s different teams come together as a whole to develop sound hypotheses for current activity, hazard levels, and future scenarios.

Source : USGS / HVO.

Exemple d’utilisation d’une station GPS temporaire pour mesurer les déformations du Kilauea (Source : USGS / HVO)

Le GPS, de la navigation à la volcanologie // GPS, from navigation to volcanoes

Dans un article récent, des scientifiques du Yellowstone Volcano Observatory ont écrit une chronique expliquant comment un système peut être utilisé à des fins différentes de celles pour lesquelles il a été conçu à l’origine.
C’est le cas du Global Positioning System (GPS), qui est aujourd’hui l’une des techniques les plus efficaces pour suivre les déformations du sol à Yellowstone et sur les volcans en général.
Le système a été lancé en 1978 lorsque le Département américain de la Défense a mis sur orbite une constellation de satellites NAVSTAR pour fournir des informations de navigation à son personnel qui circulait dans des véhicules terrestres, des avions et des navires. Avec le GPS, ces personnes pouvaient savoir où elles se trouvaient et atteindre leur destination. Le service est rapidement devenu accessible aux civils, et la plupart des gens l’utilisent maintenant pour circuler avec leurs véhicules ou se repérer pendant une randonnée.
Aujourd’hui, à côté du NAVSTAR américain, le GLONASS russe et le Galilée de l’Union européenne sont d’autres systèmes de navigation par satellite (GNSS). La précision de ces systèmes varie en fonction des conditions de visibilité du ciel et d’autres facteurs, mais la marge d’erreur est généralement de 5 à 10 mètres pour la position horizontale et de 10 à 30 mètres pour l’altitude.
Cette marge d’erreur ne suffirait pas en volcanologie pour étudier la déformation d’un volcan sous la pression du magma. Les scientifiques effectuant de telles mesures doivent disposer d’une précision très fine, car la déformation d’un édifice volcanique est généralement une affaire de millimètres.
Le récepteur GPS d’une voiture ou d’un téléphone portable utilise les signaux radio des satellites de navigation comme horloge et règle virtuelles. Il mesure le temps nécessaire aux signaux pour parcourir la distance entre plusieurs satellites et le récepteur. Les signaux circulent à la vitesse de la lumière et les orbites des satellites sont connues. Ces informations, associées au temps de parcours des signaux, permettent au récepteur de calculer sa distance par rapport à chaque satellite à un instant donné. En utilisant les principes de la trigonométrie sphérique, le récepteur est capable de « fixer » sa position avec suffisamment de précision pour que les personnes puissent trouver leur chemin.
Pour atteindre une meilleure précision, les géodésistes ont conçu un récepteur qui traite les signaux des satellites de navigation de manière beaucoup plus précise. Au lieu d’utiliser le temps de parcours du signal pour calculer la distance entre les satellites et le récepteur, un récepteur géodésique compte le nombre de longueurs d’onde complètes et fractionnelles entre lui-même et plusieurs satellites à la fois. Les longueurs d’onde sont connues avec précision et les récepteurs géodésiques peuvent compter exactement le nombre de longueurs d’onde complètes. Au final, le récepteur est capable de déterminer instantanément la distance entre plusieurs satellites au millimètre près. Donc, avec un peu de trigonométrie sphérique, les scientifiques ont à leur disposition un moyen de surveiller la déformation du sol en utilisant un système conçu à l’origine pour la navigation avec des véhicules terrestres!
A Yellowstone, un réseau de stations GPS étudie en permanence l’évolution de la déformation du sol. Avec les informations fournies par un réseau de sismomètres et d’autres instruments de surveillance, les données GPS permettent aux scientifiques de mieux comprendre la structure complexe et les processus actifs des phénomènes qui se déroulent sous leurs pieds.
Source: Yellowstone Volcano Observatory.

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In a recent article, Yellowstone Volcano Observatory scientists have written a chronicle explaining how a system can be used for purposes different from those for which it was originally designed.

This was the case for the Global Positioning System (GPS) which is today one of the most effective techniques used to track ground deformation at Yellowstone and on world volcanoes.

The Global Positioning System had its start in 1978 when the U.S. Department of Defense began launching a constellation of NAVSTAR satellites to provide navigation information to its personnel in land vehicles, planes, and ships. With GPS, they could know where they were and how to get where they were going. The service soon became accessible to civilian users, and now most people use it to navigate in their car or to find their way around their favourite trail system.

Today, in addition to the United States’ NAVSTAR GPS, Russia’s GLONASS and the European Union’s Galileo are operational Global Navigation Satellite Systems (GNSS). The accuracy of such systems varies with sky view and other factors, but generally the margin of error is 5–10 metres for horizontal position and 10–30 metres for elevation.

This margin of error would not have been sufficient in volcanology to study the deformation of a volcano under the pressure of magma beneath the edifice. Scientists doing such measurements need to have a very sharp accuracy as the deformation is usually a matter of millimetres.

The GPS receiver in a car or on a cellphone uses radio signals from navigation satellites as a virtual clock and ruler. It measures the time required for signals to travel from several satellites at a time to the receiver. The signals travel at the speed of light and the satellites’ orbits are known. That information, plus the signals’ travel time, allows the receiver to calculate its distance from each satellite at a given instant. Using principles of spherical trigonometry, the receiver is able to « fix » its position well enough for people to find their way around.

To reach a better accuracy, geodesists designed a geodetic-grade receiver that processes signals from navigation satellites in a much more precise way. Instead of using signal travel times to calculate satellite-to-receiver distances, a geodetic receiver counts the number of full and fractional wavelengths between itself and several satellites at a time. The wavelengths are known precisely, and geodetic receivers can count the number of full wavelengths exactly. In the end, the receiver is able to determine its distance from several satellites instantaneously to within a millimetre or so. So, with a little spherical trigonometry you have a means to monitor ground deformation using a system that was originally designed to track jeeps !

At Yellowstone, a network of GPS stations tracks the changing pattern and pace of ground deformation continuously. Combined with information from a network of seismometers and other monitoring instruments, the GPS results help scientists unravel the complex structure and active processes that otherwise remain hidden underfoot.

Source: Yellowstone Volcano Observatory.

Station GPS au bord du Lac de Yellowstone (Crédit photo: USGS)

Contrôle de la déformation du Kilauea pendant la dernière éruption // Monitoring the deformation of Kilauea during the last eruption

L’Observatoire des Volcans d’Hawaii, le célèbre HVO, géré par l’’USGS, dispose d’un vaste réseau d’instruments permettant de surveiller les déformations du sol provoquées par les  mouvements du magma dans le sous-sol. Cependant, ce réseau s’est avéré insuffisant pour mesurer ces déformations pendant la dernière éruption et l’Observatoire a reçu le soutien d’autres organismes scientifiques.
Le GPS (Global Positioning System) est utilisé pour surveiller les variations de surface du sol sur la Grande Ile d’Hawaï depuis la fin des années 1980. Plusieurs dizaines de stations GPS permanentes sont disséminées sur l’île et communiquent leurs données au HVO via des liaisons radio. Chaque jour, la position tridimensionnelle d’une station GPS est calculée à partir de ces données. La précision est généralement supérieure au centimètre.
En plus des stations GPS permanentes, fixées sur un support ancré au sol, le HVO effectue des mesures à partir d’un ensemble de repères en utilisant des installations portables. Lors d’une éruption, ces stations temporaires offrent une couverture supplémentaire dans des zones importantes.
Le problème avec l’éruption dans la Lower East Rift Zone (LERZ), qui a débuté le 3 mai 2018, c’est qu’elle a affecté une grande partie du Kilauea. Dans les jours qui ont suivi l’ouverture de la première fracture, toutes les stations GPS du HVO ont été sollicitées, mais il restait des zones non couvertes dans des endroits où la surveillance de la déformation du sol était essentielle.
Pour compenser ce manque de surveillance, l’University Navstar Consortium, un organisme basé dans le Colorado et spécialisé dans l’utilisation du GPS pour mesurer la déformation de la surface de la Terre, a pu fournir des équipements supplémentaires au HVO. La zone à contrôler comprenait la partie occidentale du flanc sud du Kilauea et le HVO a pu recueillir davantage d’informations sur les conséquences du séisme de magnitude 6,9 ​​survenu le 4 mai 2018.
D’autres stations GPS ont été déployées le long de la Middle East Rift Zone du Kilauea, entre le Pu’uO’o et l’Heiheiahulu, afin de mesurer la déformation des fractures provoquée par l’évacuation du magma de cette zone et sa migration vers les Leilani Estates. D’autres stations temporaires ont été déployées autour de la caldeira du Kilauea pour mieux mesurer la déflation et l’affaissement du sommet.
Les satellites représentent un autre outil majeur utilisé par le HVO pour mesurer la déformation de la surface du sol. L’interférométrie radar à synthèse d’ouverture (InSAR) est une technologie qui utilise deux images radar satellitaires acquises au même point dans l’espace, mais à des moments différents. À partir de ces images, on peut générer une carte montrant les déformations de la surface de la Terre au cours d’une période donnée.
L’Agence Spatiale Européenne (ESA) exploite deux satellites Sentinel-1. Les données InSAR fournies par ces satellites sont généralement disponibles avec un cycle de 12 jours. Cependant, afin de mieux surveiller l’éruption et l’effondrement du sommet du Kilauea, l’ESA a été en mesure de fournir les données InSAR tous les six jours.
Le système de satellites Cosmo-SkyMed est exploité par l’Agence Spatiale Italienne (ASI) et comprend quatre satellites. L’ASI a veillé à ce que les quatre satellites acquièrent des images haute résolution du sommet de Kilauea tout au long des événements d’effondrement, avec des données InSAR pour chaque journée!
Les nombreux passages des satellites SAR au-dessus du Kilauea furent particulièrement utiles pour les mises à jour régulières et les vues à grande échelle. Cela a permis au HVO de contrôler d’infimes déformations de la surface qui auraient pu autrement passer inaperçues. Les données satellitaires ont également été utilisées pour produire des animations de l’effondrement du sommet.
Source: USGS / HVO.

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Dans sa mise à jour du 10 septembre, HVO indique qu’un petit effondrement s’est produit au fond de la Fracture n° 8 ; il a laissé apparaître de l’incandescence. Toutefois, aucune coulée de lave n’a été observée.
De petits effondrements continuent de se produire dans le cratère du Pu’uO’o en générant des panaches de poussière de couleur marron. Les tiltmètres positionnés sur le Pu’uO’o et le long de l’East Rift Zone montrent une légère déflation.

La sismicité et la déformation du sol restent faibles au sommet du Kilauea.
Les émissions de SO2 sont globalement très faibles sur le volcan.
Même si le HVO continue de dire que l’éruption pourrait recommencer à tout moment, tous les paramètres tendent à confirmer qu’elle est terminée. L’autorisation donnée aux habitants des Leilani Estates de regagner leurs habitations va dans ce sens. L’incandescence observée au fond de la Fracture n° 8 est probablement provoquée par une certaine quantité de lave résiduelle encore présente dans le réseau de tunnels.

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The USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has an extensive network of instruments that allows to monitor how the ground deforms due to magma moving underground. However, this network was too limited to monitor ground deformation during the last eruption and the Observatory received the support of scientific colleagues.

The Global Positioning System (GPS) has been used to monitor surface motion on the Island of Hawaii since the late 1980s. Several dozen permanent GPS stations are scattered across the island, and all communicate data to HVO via radio links. Each day, an independent solution for the 3-dimensional position of a GPS station is calculated from these data. The accuracy of the GPS station positions is typically better than a centimetre.

In addition to permanent GPS stations, which are affixed to a monument anchored to the ground, HVO also regularly measures the positions of a set of benchmarks using portable installations. During an eruption, these temporary stations provide extra coverage in important areas.

The problem with the Lower East Rift Zone ( LERZ) eruption, which began on May 3rd, 2018, was that it involved a large portion of Kilauea volcano. Within days of the first fissure opening, all HVO GPS equipment was deployed, but gaps remained in places where ground deformation monitoring was critical.

Fortunately, the University Navstar Consortium, a Colorado-based organization that specializes in using GPS to measure deformation of Earth’s surface, was able to provide additional equipment to expand the area that HVO could monitor. This expanded area included the western side of Kilauea’s south flank, which enabled HVO to gather more insights on the after-effects of the M 6.9 earthquake that occurred on May 4th, 2018.

Additional GPS stations were deployed along Kilauea’s Middle East Rift Zone, from Pu’uO’o to Heiheiahulu, to measure rift deformation caused by magma draining from the area and migrating to Leilani Estates. Other temporary stations were deployed around the Kilauea caldera to give better measurements on summit deflation and collapse.

Satellites were another major tool used by HVO to measure surface deformation. Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) is a technique that uses two satellite radar images acquired from about the same point in space at different times. From these images, a map can be produced to show how the Earth’s surface has deformed during the time spanned.

The European Space Agency (ESA) operates a two-satellite constellation called Sentinel-1. InSAR data from Sentinel-1 are typically available with a 12-day repeat cycle. However, in response to Kilauea’s eruption and summit collapse events, ESA provided InSAR results every six days.

The Cosmo-SkyMed satellite system is operated by the Italian Space Agency (ASI) and consists of four satellites. ASI made sure that all four satellites acquired high-resolution views of Kilauea’s summit throughout the collapse events, with individual InSAR results spanning as little as one day!

The increased frequency of SAR satellite passes was especially valuable for regular updates and broad-scale views of Kilauea’s summit, allowing HVO to monitor subtle surface deformation that might otherwise have gone undetected. The data were also used to produce animations of the summit collapse.

Source: USGS / HVO.

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In its update of September 10th, HVO indicates that “a small collapse pit formed within the Fissure 8 cone over the past day, exposing hot material underneath and producing an increase in incandescence. No surface flow was associated with this event.”

Small collapses continue to occur at Pu’uO’o, producing visible brown plumes. Tiltmeters on the vent and along the East Rift Zone are showing a slight decrease in inflationary tilt.  Seismicity and ground deformation remain low at the summit of Kilauea.

SO2 emission rates are globally very low on the volcano.

Even though HVO keeps saying that the eruption might start again at any moment, all parameters tend to confirm it is over. This is confirmed by the authorisation given to Leilani Estates residents to go back to their homes. The incandescence in Fissure 8 is probably caused by some residual lava still present in the tunnel network.

 

Profil de déformation du sommet du Kilauea et du Pu’uO’o avant et après le début de la dernière éruption (Source: USGS / HVO)

Le Glacier d’Argentière (Alpes françaises) sous surveillance // Monitoring of the Glacier d’Argentière (French Alps)

Le Glacier d’Argentière est l’un des plus connus et des plus visités des Alpes, juste au-dessus du village qui porte son nom. Autrefois, la langue terminale du glacier descendait jusque dans la vallée. Sous l’effet du réchauffement climatique il recule et s’amincit chaque année davantage. On a constaté qu’il perdait en moyenne un mètre d’épaisseur chaque année depuis trente ans. C’est pour étudier son comportement qu’une équipe scientifique s’est récemment rendue à son chevet.

Pendant plus d’un mois (du 26 Avril au 6 Juin 2018), des chercheurs de l’Institut des Sciences de l’Environnement (IGE) en collaboration avec des chercheurs du laboratoire ISTerre ont, dans le cadre du projet RESOLVE (financé par l’Université de Grenoble), mis en place un dispositif unique au monde permettant d’instrumenter les vibrations du glacier sous toutes ses facettes. 120 capteurs sismiques ont été installés en surface, à l’intérieur et sous le glacier. Pour ce faire, guidés par Luc Moreau (que je salue ici), ils ont avancé à l’intérieur de galeries souterraines rendues accessibles par la société de production hydroélectrique EMOSSON).

Les observations sismiques haute résolution ont été complétées par des mesures de positionnement GPS, d’exploration et d’interférométrie radar, ainsi que des mesures hydrologiques.

L’objectif de ce projet est de permettre la caractérisation fine des propriétés du champ d’ondes sismiques généré par la dynamique du glacier, en particulier par son glissement sur le substrat rocheux et par l’hydrologie sous-glaciaire. Cette campagne d’instrumentation devrait permettre aux chercheurs d’obtenir de nouvelles informations sur ces processus qui restent encore aujourd’hui mal connus bien qu’ils contrôlent une part importante de la dynamique glaciaire et donc du devenir des glaciers en réponse au changement climatique.

La vidéo de la mission est accessible avec ce lien :

https://lejournal.cnrs.fr/videos/le-glacier-dargentiere-mis-sur-ecoute

Source : IGE.

A titre tout à fait personnel, je me suis rendu auprès du Glacier d’Argentière au début du mois de juillet 2017. Si les conditions météo le permettent, je compte renouveler l’expérience début septembre 2018. La comparaison de photos permettra de voir les changements morphologiques subis par le glacier – son front en particulier – au cours de 14 mois.

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The Glacier d’Argentière Glacier is one of the best known and the most visited of the Alps, just above the village that bears its name. In the past, the front of the glacier descended into the valley. As a result of global warming, it is retreating and thinning a bit more each year. Glaciologists have found that it has been losing on average one metre of thickness every year for thirty years. It is to study his behaviour that a scientific team recently visited the glacier.
For over a month (from April 26th to June 6th, 2018), researchers from the Institute of Environmental Sciences (IGE) in collaboration with researchers from the laboratory ISTerre have, as part of the RESOLVE project (funded by the University of Grenoble), set up a unique system to tap the vibrations of the glacier in all its facets. 120 seismic sensors were installed on the surface, inside and under the glacier. To do this, guided by Luc Moreau, they advanced inside underground tunnels made accessible by the hydroelectric generating company EMOSSON).
High resolution seismic observations were supplemented by GPS positioning, radar exploration and interferometry measurements, and hydrological measurements.
The purpose of this project is to allow the fine characterization of the properties of the seismic wave field generated by the glacier dynamics, in particular by its sliding on the bedrock and subglacial hydrology. This instrumentation campaign should allow researchers to obtain new information on these processes which are still poorly known today, although they control a large part of the glacial dynamics and hence the fate of glaciers in response to climate change.
The video of the mission is accessible with this link:
https://lejournal.cnrs.fr/videos/le-glacier-dargentiere-mis-sur-ecoute

Source: IGE.

As far as I am concerned, I visited the Glacier d’Argentière at the beginning of July 2017. Weather permitting, I intend to repeat the experience in early September 2018. The comparison of photos will show the morphological changes undergone by the glacier – its front in particular – over 14 months.

Vue du glacier depuis le village d’Argentière

Le front du glacier vu depuis la vallée

Vue du glacier lors d’un survol effectué en septembre 2015

Approche du front du glacier. On aperçoit sur la droite du sentier l’entrée de la galerie souterraine.

Front du glacier

Le glacier sur son substrat  rocheux

Avec le réchauffement climatique, le glacier recule

Il est bien loin le temps où il descendait jusque dans la vallée!

(Photos: C. Grandpey