Un gravimètre quantique absolu (AQG) sur le Kilauea (Hawaii) // An Absolute Quantum Gravimeter on Kilauea Volcano (Hawaii)

La dernière rubrique Volcano Watch publiée par le l’Observatoire des Volcans d’Hawaii, le HVO est consacrée à l’Absolute Quantum Gravimeter AQG) – gravimètre quantique absolu – un nouvel instrument de haute technologie que vient d’acquérir l’observatoire. Il est en cours d’installation, de test et d’étalonnage avant d’être installé au sommet du Kilauea. L’AQG a la capacité de mesurer d’infimes variations de masse sous la surface du sol et peut donc aider à détecter les processus volcaniques en profondeur.
Tous les objets ont une masse et donc un champ de gravité. L’attraction gravitationnelle de la Terre est légèrement plus forte dans les zones qui ont plus de masse et légèrement plus faible dans les zones avec moins de masse. Le rôle des gravimètres est donc de mesurer l’attraction gravitationnelle. S’agissant des volcans, les gravimètres permettent aux scientifiques de détecter les changements subtils de gravité causés par les mouvements du magma. Une gravité plus forte peut indiquer la présence d’un plus importante quantité de magma sous la surface du sol.
Il existe deux principaux types de gravimètres : relatif et absolu.
Les gravimètres relatifs sont les plus courants. Ils contiennent un poids attaché à un ressort vertical sensible. La gravité étire le ressort et la quantité d’étirement est proportionnelle aux variations de g, la gravité locale. Le gravimètre relatif mesure la différence de gravité entre différents emplacements. Malheureusement, ces instruments souffrent d’un effet de « dérive », qui ajoute du bruit aux mesures effectuées sur plus de quelques semaines à quelques mois, et leur précision diminue progressivement.
Les gravimètres absolus mesurent directement l’accélération de la pesanteur. Les gravimètres absolus à chute libre, le type le plus courant, utilisent des lasers pour mesurer l’accélération en chute libre d’un réflecteur en coin de cube relâché à maintes reprises dans une chambre sous vide. Contrairement aux gravimètres relatifs, les gravimètres absolus n’ont pas d’effet de dérive et ne se dégradent pas en précision avec le temps. Cependant, ils sont de grande taille, ont des éléments mécaniques fragiles, nécessitent une alimentation électrique suffisante et ne sont pas conçus pour être utilisés dans des conditions difficiles sur le terrain, les volcans par exemple. Les gravimètres absolus portables ne peuvent pas effectuer des mesures continues sur le long terme et ne sont pas suffisamment sensibles pour détecter les petits changements nécessaires à la surveillance des volcans.
Semblable aux gravimètres absolus à chute libre, le nouvel AQG du HVO mesure l’accélération d’une petite masse d’épreuve dans le vide. Cependant, l’AQG surmonte les limites des gravimètres absolus à chute libre classiques et se caractérise par la chute d’un nuage d’atomes à très basse température. Des atomes de rubidium, piégés par des lasers, sont refroidis à une température proche du zéro absolu. Cela permet des mesures continues précises et à long terme. L’AQG est également compact et peut être déployé sur des volcans actifs et fonctionner en continu sans effet de «dérive».
Un tel modèle d’AQG a été installé sur le flanc nord du volcan de l’Etna, un volcan qui entre fréquemment en éruption. L’instrument a enregistré avec succès, et sur plusieurs mois, des données de haute qualité, malgré des vibrations parasites.
À la suite de la spectaculaire éruption du Kilauea en 2018, le HVO a commencé à reconstruire le réseau gravitaire continu. Un gravimètre a été réinstallé sur le plancher du cratère de l’Halema’uma’u en juin 2021. En avril 2022, il est prévu d’installer deux gravimètres relatifs sur d’autres sites du Kilauea.
La combinaison du nouveau gravimètre quantique absolu (AQG), de nouveaux gravimètres continus et des mesures habituelles sur le terrain devrait faire progresser l’utilisation des mesures de gravité pour surveiller le comportement des volcans hawaïens.
Source : USGS / HVO.

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The latest Volcano Watch released by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) is dedicated to the

Absolute Quantum Gravimeter AQG), a new high tech instrument acquired by the observatory. It is undergoing set up, testing and calibration before installation at the summit of Kilauea. The AQG has the ability to measure very small mass changes beneath the ground surface, which can help detect underground volcanic processes.

All objects have a mass and therefore a gravity field. Earth’s gravitational pull is slightly stronger in areas with more mass and slightly weaker in areas with less mass. Gravimeters measure gravitational attraction. As far as volcanoes are concerned, gravimeters help scientists detect subtle changes in gravity caused by magma movements. The measurement of stronger gravity can indicate more magma below the ground surface.

There are two main types of gravimeters: relative and absolute.

Relative gravimeters are the most common. They contain a weight attached to a sensitive vertical spring. Gravity stretches the spring, and the amount of stretch is proportional to the measurement of local gravity. The relative gravimeter measures the difference of gravity between various locations. Unfortunately, these instruments suffer from “drift,” which adds noise to measurements conducted over more than a few weeks-to-months, and their accuracy gradually decreases.

Absolute gravimeters directly measure the acceleration of gravity. Free-fall absolute gravimeters, the most common type, use lasers to measure the free-fall acceleration of a small reflecting prism in a vacuum. Unlike relative gravimeters, absolute gravimeters do not drift nor degrade in accuracy over time. However, they are large in size, have delicate mechanical parts, require an ample power supply, and are not designed for use in harsh field conditions such as volcanoes. Those that are field portable are not capable of long-term continuous measurements or sensitive enough to detect the small changes needed for volcano monitoring.

Similar to the free-fall absolute gravimeters, HVO’s new AQG measures the acceleration of a small test mass in a vacuum. However, the AQG overcomes the limitations of classical free-fall absolute gravimeters by dropping clouds of laser-cooled rubidium atoms instead of small prisms. This allows for accurate and long-term continuous measurements. The AQG is also compact in size and can be deployed in the field at active volcanoes and run continuously without “drift.”

The same model of AQG has been installed on the north flank of Mount Etna volcano in Italy, which frequently erupts. The instrument has successfully recorded many months of high-quality data despite high vibration noise levels.

Following the 2018 Kīlauea events, HVO started rebuilding the continuous gravity network. One gravimeter was reinstalled on Halemaʻumaʻu crater floor in June 2021. In April 2022, there are plans to install two additional continuous relative gravimeters at other locations on Kilauea.

The combination of the new Absolute Quantum Gravimeter, new continuous gravimeters, and ongoing campaign measurements makes the future of using gravity measurements to monitor hazards of Hawaiian volcanoes quite promising.

Source : USGS / HVO.

Vue du gravimètre quantique absolu (Source : HVO)

Calibrage des gravimètres sur le Mauna Kea (Hawaii) // Calibrating gravimeters on Mauna Kea (Hawaii)

Un nouvel article publié par l’Observatoire des Volcans d’Hawaii, le HVO, nous explique comment la mesure de la gravité sur le Mauna Kea permet de surveiller le Mauna Loa. Au début de l’article, un scientifique conduit son 4X4 entre Hilo et le sommet du Mauna Kea avec deux gravimètres identiques à l’intérieur de son véhicule. Il s’arrête une demi-douzaine de fois au niveau de points de repère (benchmarks) installés depuis les années 1960. C’est ici qu’il va utiliser les deux gravimètres pour mesurer les variations d’intensité du champ de pesanteur.

Les gravimètres sont des instruments extrêmement précis capables de mesurer les variations de force gravitationnelle avec une précision de l’ordre du milligal [Le milligal, mgal, correspond à un millième de gal qui est l’unité CGS d’accélération (1 gal = 1 cm/s2)]. Cette force varie en fonction de la distance et de la quantité de masse entre l’instrument et le centre de la Terre. Tout comme la pression atmosphérique, elle varie en fonction de l’altitude. Plus on monte en altitude, plus on s’éloigne du centre de la Terre et plus la force gravitationnelle est faible. Cet effet d’élévation est la principale contribution aux changements de gravité mesurés sur le Mauna Kea. Les variations du champ de pesanteur ne sont pas aussi perceptibles que le changement d’atmosphère (il est difficile de respirer au sommet), mais une personne de taille moyenne pèse environ 150 grammes de moins – le poids d’une orange – au sommet du Mauna Kea que dans la ville de Hilo!

Depuis les années 1970,  les scientifiques mesurent les  petits changements de gravité (microgravité), variables avec le temps, sur le Mauna Loa et le Kilauea pour savoir si du magma s’accumule dans leurs réservoirs magmatiques. Cette intrusion magmatique ouvre et remplit souvent des fractures et / ou des espaces vides à l’intérieur de l’édifice volcanique, ce qui provoque une augmentation de la masse du volcan qui peut être mesurée avec un gravimètre.

La mesure de la gravité est un moyen de savoir ou de confirmer si l’inflation en cours, comme celle observée sur le Mauna Loa depuis 2014, est provoquée par l’arrivée d’un nouveau magma à l’intérieur du volcan. Comme indiqué précédemment, les gravimètres sont des appareils extrêmement précis et sensibles et ils nécessitent un étalonnage régulier. Comme l’effet principal mesuré provient des changements d’altitude, il est nécessaire de calibrer les gravimètres sur le Mauna Kea pour mesurer les changements provoqués par l’activité volcanique du Mauna Loa (4170 m). Le Mauna Kea (4207 m) convient parfaitement car il n’est pas influencé par l’activité volcanique étant donné que la dernière éruption du volcan remonte à plus de 4 500 ans.

Sans le Mauna Kea, les scientifiques du HVO devraient envoyer pour calibrage les gravimètres en Californie, avec le risque qu’ils soient endommagés pendant le voyage. La possibilité de calibrer les gravimètres du HVO sur Mauna Kea permet de concevoir un programme de surveillance gravimétrique pour mieux comprendre l’activité volcanique du Mauna Loa. Parallèlement à la déformation du sol et à la sismicité, les levés gravimétriques permettent de détecter la quantité de magma qui arrive lentement dans la chambre magmatique superficielle du Mauna Loa.

Source: USGS / HVO.

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A new article released by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explains us how measuring gravity on Mauna Kea helps monitor Mauna Loa. The Observatory starts the article with a scientist driving between Hilo and the summit of Mauna Kea with two identical gravimeters in his car. He stops approximately half a dozen times at a series of benchmarks established beginning in the 1960s. At these benchmarks, the scientist uses the two gravimeters to measure the variation of the force in gravity.

Gravimeters, essentially extremely precise pendulums, can measure a change in the force of gravity to one-in-one billionth of the force one can feel every day. This force varies based on the distance and the amount of mass between the instrument and the center of the Earth.

Just like atmospheric pressure, the force of gravity changes depending on altitude. The higher in elevation one goes, the farther away one gets away from the centre of the Earth, and the weaker the force of gravity. This elevation effect is the primary contribution to changes in gravity measured on Mauna Kea. The changes in gravity are not as noticeable as the change in the atmosphere (it’s hard to breathe at the summit), but the average person also weighs about one-third of a pound less – the weight of an orange – at the summit of Mauna Kea than in Hilo!

Since the 1970s, small changes in time-varying gravity (microgravity) have been measured on Mauna Loa and Kilauea, both active volcanoes, to determine whether magma is accumulating in their magma reservoirs. This intruding magma often opens and fills cracks and/or empty spaces, causing a net increase in the volcano’s mass that can be measured with a gravimeter.

Measuring the gravity is an independent way to confirm whether ongoing uplift, like that occurring at Mauna Loa since 2014, is from new magma intruding into the volcano.

The precision and sensitivity of the gravimeters make them extremely delicate, and they require regular calibration. As the dominant effect that is measured is from changes in elevation, the ability to measure volcanic changes on the high elevations of Mauna Loa (4,170 m) requires to calibrate the instruments over similar elevations on Mauna Kea where there is currently no influence from volcanic activity. The volcano’s last eruption was more than 4,500 years ago.

Without Mauna Kea, HVO scientists would have to send the gravimeters back to California to be calibrated, making them susceptible to damage on their long journey. The opportunity to calibrate HVO gravimeters on Mauna Kea provides the ability to design a gravity monitoring program to help understand volcanic unrest at Mauna Loa. Along with ground deformation and seismicity, future gravity surveys could help detect how much magma is slowly being supplied to Mauna Loa’s shallow magma storage system.

Source: USGS / HVO.

Vue du Mauna Loa et du Mauna Kea (Photo : C. Grandpey)

Etna (Sicile) : un gravimètre quantique absolu (AQG) dans l’Observatoire des Pizzi Deneri

Tous les amoureux de l’Etna connaissent l’Observatoire des Pizzi Deneri sur le flanc nord du volcan, à 2818 m d’altitude. L’idée de sa construction est née d’un projet de Letterio Villari – largement cautionné par Haroun Tazieff – qui s’est concrétisé en 1977 lorsqu’il devint directeur de l’Institut International de Volcanologie (IIV) du CNR de Catane.
L’emplacement de cet observatoire a été choisi pour sa sécurité en cas d’éruption avec coulées de lave. La structure du bâtiment a été construite avec deux dômes qui rappellent la forme de l’igloo. Cette forme originale permet d’éviter de grosses accumulations de neige pendant la saison hivernale.

Les locaux de l’observatoire ont été utilisés à la fois pour héberger le personnel de l’IIV et des chercheurs italiens et étrangers ainsi que pour l’instrumentation de surveillance et les laboratoires associés. En particulier, deux tunnels orthogonaux d’une longueur de 80 m ont été construits à une profondeur d’environ 10 m, destinés à abriter des clinomètres longue base pour mesurer les déformations du sol.L’observatoire abrite aussi aujourd’hui différentes stations de suivi volcanologique : gravimétrique, sismique, GPS, infrasonore, ainsi d’un déformomètre, et un interféromètre laser.

A ces différents instruments vient de s’ajouter un gravimètre quantique absolu (AQG), dans le cadre du projet européen Newton-g. Selon Daniele Carbone et Filippo Greco, chercheurs à l’INGV, «l’application de la gravimétrie aux volcans permet d’estimer les variations de masse qui peuvent se produire, par exemple, lors de l’ascension du magma vers la surface. » Ce gravimètre AQG, produit par Muquans, partenaire du projet Newton-g, est le premier gravimètre quantique à être installé sur un volcan actif. Il permettra d’estimer, avec une extrême précision, la valeur absolue de l’accélération de la pesanteur, c’est-à-dire l’accélération subie par un corps lorsqu’il est en chute libre. Les performances de l’AQG au cours des premiers jours d’acquisition continue ont été meilleures que prévu, malgré le niveau élevé de tremor volcanique qui caractérise le site d’installation.

Comme l’Observatoire des Pizzi Deneri n’est pas connecté au réseau électrique, il a fallu installer un système basé sur des panneaux solaires et un générateur diesel qui utilise un module de contrôle sophistiqué pour gérer les sources d’énergie et le système de stockage. Les données produites par les gravimètres en acquisition continue permettent d’intégrer et de compléter les informations fournies par le réseau multiparamétrique permanent de l’Etna, qui sert, avant tout, à l’évaluation rapide des changements d’activité du volcan.

Source : INGV, La Sicilia.

Photo : C. Grandpey