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Mesure de la gravité sur le Kilauea (Hawaii) // Gravimetry on Kilauea (Hawaii)

L’un des derniers articles ‘Volcano Watch’ du Hawaiian Volcano Observatory (HVO) était dédié à la mesure de la gravité, un paramètre intéressant sur le Kilauea et sur d’autres volcans actifs sur Terre. En effet, les mesures de gravité peuvent être utilisées pour déterminer comment est répartie la masse sous un volcan.

La gravimétrie, autrement dit la mesure de l’accélération de la pesanteur g en un point donné, est une méthode géophysique qui permet d’imager à différentes échelles la structure interne de la Terre. Elle consiste à étudier, de façon indirecte, les variations spatio-temporelles du champ de pesanteur terrestre liées à la distribution des masses au sein de la Terre, à proximité de la surface, voire en surface.

Sur le Kilauea, le HVO effectue des relevés de microgravité de routine pour surveiller l’activité volcanique et déterminer les variations de gravité. Ces fluctuations peuvent indiquer que le magma est en train de s’accumuler dans le réservoir. Les relevés révèlent de petits changements de gravité au fil du temps au niveau des « points de repère » (benchmarks en anglais) judicieusement répartis dans la zone sommitale du volcan.
Le réseau de surveillance gravimétrique du Kilauea comprend une cinquantaine de ces repères. Les relevés annuels de microgravité sont cruciaux pour savoir si l’inflation ou la déflation du volcan est causée par l’intrusion ou le retrait de magma.
Le HVO effectue ces relevés à l’aide de petits instruments de la taille d’une boîte à chaussures, les gravimètres relatifs. Une prise de mesure de la gravité consiste à mettre de niveau une petite plaque de base (moins de 30 cm de diamètre et 7,5 cm de hauteur) sur le sol, à placer le gravimètre sur ce support et à effectuer une mesure de cinq minutes. En plus de la gravité, des mesures de haute précision sont également effectuées à l’aide du GPS.
Les gravimètres sont extrêmement sensibles aux vibrations, de sorte que des surfaces dures et stables, comme des affleurements rocheux, sont nécessaires pour prendre une mesure.
En plus de suivre les variations de la gravité au fil du temps, les levés gravimétriques peuvent être utilisés pour cartographier la densité du sol sous la surface. Les levés Bouguer, nommés d’après un géophysicien français du 18ème siècle, mesurent la gravité à des centaines, voire des milliers d’emplacements à un moment donné et il n’est pas nécessaire d’effectuer un étalonnage reproductible de l’emplacement ou de la précision des levés de microgravité. Les levés Bouguer utilisent les mêmes gravimètres relatifs que ceux utilisés pour les levés en microgravité, mais les mesures sont liées à une « station de base » de référence, où la valeur réelle de la gravité a été déterminée de manière absolue.*
Alors que les levés en microgravité et ceux de Bouguer sont utilisés tous les deux pour déterminer la répartition de la masse sous un volcan, les levés en microgravité seuls sont utilisés pour modéliser les changements de ces paramètres, tandis que les levés Bouguer peuvent révéler les caractéristiques globales des matériaux en profondeur. Les modèles Bouguer bidimensionnels et tridimensionnels peuvent fournir des informations sur la structure géologique des volcans, y compris identifier des réservoirs magmatiques, des intrusions, des glissements de terrain et des effondrements, ainsi que des failles non exposées. Sur le Kilauea, ils ont également été utilisés pour définir les zones probables de circulation de fluides hydrothermaux. Ensemble, les données de microgravité et de Bouguer peuvent donner un aperçu de la structure du sous-sol et des changements au sein de cette structure.
Les levés Bouguer sont effectués sur le Kilauea depuis plus de 70 ans ; les deux dernières campagnes de mesures au sommet ont été réalisées en 2009 et 2020. Au cours du mois de janvier 2023, une équipe de trois personnes a mesuré la gravité au niveau de plus de 400 sites sur le sommet du Kilauea. Cette étude gravimétrique de Bouguer sera la première à étudier les changements importants liés à l’effondrement de la caldeira en 2018. Les résultats de ce levé gravimétrique seront utilisés pour affiner le modèle développé à partir de l’étude sismique prévue pour l’été 2023 au sommet du volcan.
Source : USGS, HVO.

* Le champ de pesanteur théorique en un point est calculé en première approximation à partir de la distance au centre de la Terre, puis on lui applique des corrections prenant en compte la rotation de la Terre sur elle-même, sa non-sphéricité (ellipsoïde), les écarts de densité du
sous-sol et les effets des marées terrestres.

On appelle anomalie gravimétrique de Bouguer, au point considéré sur l’ellipsoïde de référence, l’écart entre le champ de pesanteur terrestre mesuré et le champ de pesanteur théorique.

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One of the latest ‘Volcano Watch’ articles by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) was dedicated to the measurement of gravity, an interesting parameter on Kilauea and on other active volcanoes on Earth. Indeed, measurements of gravity can be used to determine how mass is distributed beneath a volcano.

Gravimetry, or the measurement of the acceleration of gravity g at a given point, is a geophysical method which makes it possible to image the internal structure of the Earth at different scales. It consists in studying, indirectly, the spatio-temporal variations of the Earth’s gravity field linked to the distribution of masses within the Earth, near the surface, or even on the surface.

At Kilauea, HVO performs routine microgravity surveys to monitor volcanic activity and to determine changes in gravity. Those changes can indicate whether magma is accumulating in a volcano’s magma reservoir.The surveys measure small gravity changes over time at “benchmarks” which are precisely controlled locations spread across the volcano’s summit area.

The Kilauea microgravity monitoring network includes about 50 benchmarks. Annual microgravity surveys are crucial in confirming whether ongoing uplift or subsidence is caused by magma intrusion or withdrawal.

HVO conducts these surveys using small, shoebox-sized instruments called relative gravimeters. A single gravity measurement consists of leveling a small baseplate (less than 30 cm in diameter and 7.5 cm tall) on the ground, placing the gravimeter on the baseplate, and making a five-minute measurement. Along with gravity, high-precision positions are also collected using GPS.

Gravimeters are extremely susceptible to vibration, so hard and stable surfaces, like solid rock outcroppings, are required to take a measurement.

In addition to tracking changes over time, gravity surveys can be used to map the density characteristics of the ground beneath the surface. These Bouguer surveys, named after an 18th-century French geophysicist, measure the gravity at hundreds to thousands of locations at a single point in time and do not need the repeatable location benchmarking or precision of microgravity surveys. Bouguer surveys use the same relative gravimeters that are used for microgravity surveys, but measurements are tied to a reference “base station,” where the actual value of gravity has been determined absolutely.*

While both microgravity and Bouguer surveys are used to determine how mass is distributed beneath a volcano , microgravity surveys are used to model changes in these parameters, whereas Bouguer surveys can reveal the overall characteristics of the materials at depth. Two-and three-dimensional Bouguer models can provide insights into the geologic structure of volcanoes including identifying magma reservoirs, intrusions, landslide and collapse piles, and unexposed faults. At Kilauea, they’ve also been used to define likely areas of hydrothermal fluid circulation. Together, microgravity and Bouguer data can see subsurface structure and changes within that structure.

Bouguer surveys have been a routine tool at Kilauea for more than seven decades, with the two most recent summit surveys performed in 2009 and 2000. Over the month of January 2023, a three-person team measured gravity at more than 400 locations around Kilauea’s summit. Their Bouguer gravity survey will be the first to address significant large-scale changes associated with the 2018 caldera collapse. Results from this gravity survey will be used to help refine the model developed from the anticipated summer 2023 Kīlauea summit seismic study.

Source : USGS, HVO.

* The theoretical gravity field at a point is calculated as a first approximation from the distance to the center of the Earth, then corrective terms are applied to it taking into account the rotation of the Earth on itself, its non-sphericity (ellipsoid), the differences in density of the
subsoil and the effects of the earth’s tides.
The Bouguer gravimetric anomaly, at the point considered on the reference ellipsoid, is the difference between the measured terrestrial gravity field and the theoretical gravity field.

Caldeira sommitale du Kilauea après l’effondrement de 2018 (Crédit photo: HVO)

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)

Le glissement de l’Etna (Sicile) // Mt Etna’s sliding movement in Sicily

Un article récent paru dans Newsweek nous rappelle que le flanc sud-est de l’Etna glisse dans la Mer Méditerranée à raison de quelques centimètres par an. Selon les scientifiques, « il est important de comprendre ce processus susceptible de générer un effondrement catastrophique du volcan dans le futur ». Le glissement de terrain qui accompagnerait un tel événement pourrait, à son tour, provoquer un tsunami qui menacerait les zones habitées de la région.
Une équipe internationale de chercheurs a proposé une nouvelle approche de cette activité de glissement de l’édifice volcanique, tout en laissant entendre que le mouvement du flanc oriental du volcan pose un risque plus grand que prévu.
Dans un article publié dans la revue Science Advances, les scientifiques expliquent que le flanc E de l’Etna glisse principalement en raison de l’instabilité gravitationnelle. Auparavant, on pensait que c’était la poussée du magma à l’intérieur du volcan qui était responsable du mouvement. Jusqu’à présent, il n’avait pas été possible de dire lequel de ces processus – instabilité gravitationnelle ou poussée du magma – était à l’origine du glissement.
Pour effectuer leur étude, la première de ce type sur le glissement en mer du volcan, les scientifiques ont mis en place et analysé un réseau de cinq transpondeurs sous-marins. Ces appareils étaient équipés de capteurs de pression pour surveiller en permanence le déplacement du fond marin en bordure de la côte E de la Sicile.
Les mesures effectuées par les transpondeurs entre avril 2016 et juillet 2017 ont montré que la déformation de l’Etna s’éloignait de son système magmatique, ce qui donne à penser que la majeure partie du glissement est provoquée par gravité.
Les chercheurs disent qu’ils ne peuvent pas exclure la possibilité d’un effondrement catastrophique du flanc sud-est, bien qu’il soit impossible de dire si, comment et quand cela se produira. De nouvelles recherches seront nécessaires pour faire une telle prévision. Sur la terre ferme, on étudie le mouvement de l’Etna depuis les années 1980, mais trois décennies ne sont pas suffisantes pour tirer des conclusions sur le cycle de vie géologique du volcan qui s’étire qui plusieurs centaines de milliers d’années.
Le résultat le plus intéressant de l’étude est que la vitesse de déplacement est plus importante au large que près du sommet. De nombreux chercheurs pensaient que le glissement d’Etna était provoqué par la pression magmatique au sommet du volcan, mais la dernière étude contredit cette idée. Le mouvement est plutôt causé par un simple glissement vers le bas des flancs sous-marins par gravité, et ce mouvement effectue lui-même une traction sur les pentes supérieures du volcan.
Les archives géologiques montrent que les volcans peuvent s’effondrer de manière catastrophique en suivant ce processus. Il existe de nombreux exemples, comme à Hawaii et aux îles Canaries. Au cours de tels événements, tout un pan du volcan se détache en provoquant un énorme glissement de terrain dévastateur. Selon les chercheurs, ils se produisent dans le monde environ quatre fois par siècle. Les auteurs de cette dernière étude attirent l’attention sur ce point, mais à l’heure actuelle, notre connaissance des précurseurs de tels événements catastrophiques est très rudimentaire, ce qui rend impossible toute prévision fiable.
Source: Newsweek.

Sur sa page Facebook, Boris Behncke (INGV Catane) indique que l’activité sismique dans le sud-est de l’Etna et d’autres parties du volcan n’est pas le signe qu’un important séisme est sur le point de se produire ; ce n’est pas non plus le signe d’une éruption imminente. Cela montre seulement la dynamique des flancs de l’Etna, phénomène susceptible d’entraîner une déstabilisation progressive de la montagne. Cela peut également faciliter les mouvements du magma sur les flancs du volcan et provoquer une éruption latérale. Les scientifiques sont actuellement incapables de prédire un tel événement qui sera annoncé par une augmentation de la sismicité avant l’ouverture d’une ou plusieurs fractures éruptives. Les dernières éruptions latérales de l’Etna, avec menace pour des zones habitées, remontent à 1928 (Mascali), 1979 (Fornazzo), 1991 (Zafferana).
Boris demande aux gens de ne pas diffuser d’informations alarmantes, comme celles concernant un séisme majeur, bien que le risque existe réellement dans l’est de la Sicile.

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A recent article in Newsweek reminds us that the southeastern flank of Mount Etna is sliding into the Mediterranean Sea at the rate of a few centimetres every year. According to experts, “understanding this process is important as it could precipitate a catastrophic collapse of the volcano in the future.” The resulting landslide could, in turn, produce a tsunami that threatens human life in the region.

An international team of researchers has proposed a new driver for this sliding activity, while suggesting that the volcano’s flank movement poses a greater hazard than previously thought.

In a paper published in the journal Science Advances, the scientists report that the flank is sliding primarily due to gravitational instability. Previously, it was assumed that the pushing of ascending magma inside the volcano was responsible for the movement. Until now, it has not been possible to determine which of these processes could be causing the sliding.

In what was the first such offshore movement monitoring study, the scientists set up and analyzed a network of five underwater transponders. They were equipped with pressure sensors to continuously monitor the displacement of the seafloor around Etna’s submerged southern boundary on Sicily’s east coast.

The observations made with the transponders between April 2016 and July 2017 showed that Etna’s deformation increased away from its magma system, suggesting that the bulk of the sliding is being driven by gravity.

The researchers say they cannot exclude the possibility that the southeastern flank might collapse catastrophically, although it is impossible to say if, how and when this could happen. More research is required to make such a prediction. On land, this motion has been tracked since the 1980s but three decades is almost nothing compared to the geologic life cycle of the volcano.

The most interesting result of the study is that the rate of movement is greater offshore than near to the summit. Many previous researchers had supposed that Etna’s sliding was initiated by magmatic pressure from the active summit, but this study contradicts that idea. The movement is instead caused by simple downslope sliding of the submarine flanks under gravity, this movement then pulling on the upper slopes of the volcano.

The geological archives show that volcanoes can collapse catastrophically from this process. There are numerous examples of this, the largest ones being in Hawaii and the Canary Islands. Such events involve a large sector of the volcano detaching itself in one massive, devastating landslide, and occur worldwide about four times per century, according to the researchers. The authors of this study draw attention to this, but at present our knowledge of the precursors to such disastrous events is very rudimentary, making meaningful predictions impossible.

Source: Newsweek.

On his Facebook page, Boris Behncke (INGV Catania) indicates that seismic activity in SE Etna and other parts of the volcano is neither the sign of an imminent major earthquake nor of an imminent eruption. It is just a sign of the dynamics of Mt Etna’s flanks which may lead to a progressive destabilisation of the mountain. This may, in turn, facilitate magma movements of the flanks of the volcano and cause a flank eruption. Scientists are currently unable to predict such an event which will be announced by an increase in seismicity before the opening of an eruptive fissure. Mt Etna’s last flank eruptions threatening populated areas date back to 1928 (Mascali), 1979 (Fornazzo), 1991 (Zafferana).

Boris asks people not to spread alarming information, like the ones concerning a major earthquake, although the risk really exists in eastern Sicily.

Photo: C. Grandpey

 

 

 

La gravité sur le Kilauea // Gravity on Kilauea volcano

drapeau francaisUn récent article publié par l’Observatoire des Volcan d’Hawaii (le HVO) montre l’évolution de la gravité sur le Kilauea.
On considère trop souvent la gravité comme une constante, une force qui s’exerce également, en tous points, mais ce n’est pas tout à fait vrai. En fait, la force exercée par la gravité dépend de la masse sous nos pieds et de notre distance par rapport à cette masse. S’il y a quelque chose de très dense dans le sous-sol, comme une chambre magmatique solidifiée, la gravité sera un peu plus forte dans cette zone. A l’inverse, plus on est éloigné du centre de la Terre, plus faible est la gravité. Par exemple, je pèse un peu moins (quelques centaines de grammes) au sommet du Mauna Loa (4169 m) qu’au niveau de la mer à Hilo!
La gravité peut également varier au fil du temps. Au fur et à mesure que le magma s’accumule dans les profondeurs, il pousse le sol vers le haut, ce qui provoque une diminution de la gravité. Ce changement est toutefois contrebalancé par la nouvelle masse de magma dans le sous-sol qui provoque une hausse de la gravité.
Des mesures de variations de la gravité sont effectuées sur le Kilauea depuis les années 1970. Ces études ont révélé un fait remarquable : il existe des espaces vides – probablement un réseau de fissures interconnectées plutôt qu’un seul grand gouffre – sous la surface du volcan. L’accumulation de magma dans ces vides provoque une augmentation de la gravité en raison de l’ajout de masse, mais cela n’entraîne guère de soulèvement de la surface en parallèle.
Au cours des dernières années, les variations de gravité ont été mesurées par des instruments installés en trois endroits sur le Kilauea. Ces mesures continues ont révélé des choses surprenantes sur le lac de lave au sommet du volcan.
En mars 2011, le lac dans le cratère de l’Halema’uma’u s’est vidangé suite à l’éruption fissurale de Kamoamoa sur l’East Rift Zone. La chute du  niveau du lac de lave a provoqué une diminution importante de la gravité mesurée par un instrument sur la lèvre de l’Halema’uma’u. Une caméra thermique à proximité a également suivi la baisse de niveau du lac, ce qui a permis de calculer le volume de lave évacué. Connaissant la masse et le volume, les scientifiques du HVO ont pu déterminer la densité de la lave.
La densité des roches basaltiques qui composent la majeure partie de l’île d’Hawaï est d’environ 2,5 fois la densité de l’eau. Les scientifiques du HVO pensaient que la lave du lac dans l’Halema’uma’u serait légèrement moins dense que la roche environnante, étant donné les gaz qu’elle contient. En fait, les données gravimétriques et celles de la caméra thermique au moment de la vidange du lac en mars 2011 ont révélé que la lave qui occupe la partie supérieure de ce dernier, sur une épaisseur d’environ 200 mètres, avait une densité inférieure à celle de l’eau ! Il semblerait que la partie supérieure du lac soit constituée essentiellement d’écume en raison de la grande quantité de gaz dans la lave.
La station gravimétrique installée près du cratère de l’Halema’uma’u enregistre les variations de gravité depuis 2011, en prenant en compte les nombreux cycles de hausse et de baisse du niveau du lac de lave. Ces données démontrent que la densité de la lave reste faible, à peu près égale à celle de l’eau. Des changements brusques de gravité ont également été observés à plusieurs reprises depuis 2011 ; ils indiquaient l’arrivée de nouveau magma près du sommet. Ces données gravimétriques fournissent donc des informations importantes, non seulement sur les caractéristiques du lac de lave, mais aussi sur les mouvements du magma en profondeur.

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drapeau anglaisA recent article released by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) shows the changes in gravity over Kilauea volcano.

Gravity is often seen as a constant, a force that pulls on everyone equally, everywhere. But this is not quite true. In fact, the force of gravity depends on the mass beneath our feet, and our distance from that mass. If there is something very dense beneath the ground, like a solidified magma chamber, gravity is a bit stronger in that area. Conversely, the farther we are from the Earth’s center, the weaker gravity is. For example, I weigh slightly less (by a small fraction of a pound) at the 4169-m summit of Mauna Loa than at sea level in Hilo!

Gravity can also change over time. As magma accumulates beneath the ground, it pushes the ground upward, causing gravity to decrease. This change is counterbalanced, however, by the new mass of magma beneath the ground, which causes gravity to increase.

Measurements of gravity change have been conducted at Kilauea since the 1970s. A noteworthy result of these studies is the recognition that there are void spaces – probably a network of interconnected cracks rather than a single large cavern – beneath the volcano’s surface. Magma accumulation in these voids causes a gravity increase due to the addition of mass, but there is little associated surface uplift.

In the past several years, gravity changes have been measured by continuously recording instruments installed at three locations on Kilauea. These measurements have revealed surprising insights about Kilauea’s summit lava lake.

In March 2011, the summit lava lake within Halema’uma’u Crater drained due to the onset of the Kamoamoa fissure eruption on the East Rift Zone. The dropping lava lake level was associated with a major decrease in gravity measured by an instrument on the rim of Halema’uma’u. A nearby thermal camera also tracked the lowering lava lake level, making it possible to calculate the volume of lava that drained from the lake. Knowing the mass and volume, HVO scientists can determine the density of lava.

The density of the basaltic rocks that make up most of the Island of Hawaii is about 2.5 times the density of water. HVO scientists expected Kilauea’s summit lava lake to be slightly less dense than the rock, given the gases contained in the lava, but not by much. The gravity and thermal camera data from the draining of the lava lake in March 2011, however, revealed that the upper 200 metres or so of the lake has a density less than that of water. Apparently, the upper part of the lava lake is frothier than expected due to the large amount of gas in the lava.

The Kilauea summit vent gravity station has recorded changes over several years since 2011, through many cycles of lava lake level rise and fall. These data clearly demonstrate that the lava lake density has remained low, roughly equal to that of water. Abrupt changes in gravity have also occurred a few times since 2011, signaling the arrival of fresh batches of magma near the summit. These gravity data, therefore, provide important information, not just about lava lake characteristics, but also about subsurface magma movement.

Halemau-fevrier

Bouche active dans le cratère de l’Halema’uma’u (Photo: C. Grandpey)