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Halema’uma’u (Hawaii): Résultats de l’analyse de l’eau // Results of water analysis

Comme prévu, le HVO a récemment échantillonné l’eau du lac qui est apparu au fond du cratère de l’Halema’uma’u, au sommet de Kilauea. Le niveau de cette eau a augmenté d’environ 90 centimètres par semaine depuis sa première apparition le 25 juillet 2019. Jusqu’à présent, le HVO ne pouvait qu’évaluer à distance la taille du lac, observer sa couleur et estimer sa température. En voyant la lac s’agrandir, le HVO a décidé d’élaborer une stratégie pour échantillonner son eau. En effet, la chimie du lac est une bonne indication de la provenance de l’eau, de son influence possible sur le dégazage et donc des risques potentiels au sommet du Kilauea.
Il a été décidé qu’un drone serait la meilleure solution pour l’échantillonnage. Le 26 octobre, un engin a prélevé avec succès 0,73 litre d’eau du lac. L’échantillon a ensuite été envoyé à des laboratoires sur le continent pour des analyses exhaustives.
Les résultats obtenus jusqu’à maintenant indiquent que l’eau est acide, avec un pH de 4,2 (le pH neutre est de 7). Il est intéressant de noter que la plupart des lacs de cratères ont un pH inférieur à 3,5 (plus acide) ou supérieur à 5 (moins acide), ce qui place le lac de l’Halema’uma’u dans la moyenne.
Une modélisation mathématique effectuée avant l’apparition du lac indiquait que l’eau de la nappe phréatique était susceptible de pénétrer dans le cratère de l’Halema’uma’u une fois que l’environnement se serait suffisamment refroidi, après la disparition du lac de lave qui avait séjourné dans le cratère entre 2008 et 2018. Il n’est donc pas surprenant de voir de l’eau appraître dans le cratère.
Cependant, il est important de noter que l’Halema’uma’u est l’endroit où les émissions sommitales de dioxyde de soufre (SO2) sont les plus importantes, et que le SO2 se dissout facilement dans l’eau.
Lorsque l’eau souterraine s’écoule en direction du cratère en cours de refroidissement, elle dissout le SO2 provenant du magma situé en dessous. Cela conduit à des concentrations élevées d’ions sulfate dans le lac (53 000 milligrammes par litre) et à un pH plus acide.
A côté de cela, cette eau acide réagit chimiquement avec le basalte du Kilauea, ce qui diminue son acidité et augmente donc son pH. On observe aussi des concentrations élevées de magnésium dans l’eau. Les rapports magnésium / sodium et sodium / potassium dans l’eau du lac sont semblables à ceux du basalte du Kilauea, confirmation des réactions chimiques entre l’eau et la roche.
Les concentrations de calcium ne sont pas très élevées dans l’échantillon d’eau prélevé. Cela s’explique par le fait que le calcium se combine avec des ions sulfate pour former des minéraux solides qui précipitent dans l’eau. Le fer est également susceptible de former divers minéraux, ce qui explique les teintes jaunâtres du lac.
Les réactions complexes entre les gaz et les roches environnantes expliquent pourquoi l’eau du lac dans l’Halema’uma’u est chimiquement différente de la nappe phréatique au fond d’un puits de recherche situé au sud de Halema’uma’u et aussi de l’eau de pluie. Les tests effectués sur l’oxygène et l’hydrogène qui forment les molécules d’eau révèlent que l’eau du lac était à l’origine une eau de pluie qui a percolé dans le sous-sol où sa chimie a évolué.
Le niveau du lac au fond de l’Halema’uma’u continue à s’élever. Le pH actuel reflète un équilibre entre les eaux souterraines qui y pénètrent et le niveau des émissions de SO2 en provenance du sous-sol. Si le niveau du lac se stabilise ou si la quantité de SO2 change, le pH est susceptible de se modifier. Sur le Pinatubo aux Philippines, après l’éruption de 1991, un lac de cratère s’est formé avec un pH presque neutre, mais l’eau est devenue plus acide quand le dégazage de SO2 s’est intensifié, avec l’apparition d’une activité volcanique ultérieure.
Les analyses chimiques confirment que le lac au fond du cratère de l’Halema’uma’u dissout le SO2 d’origine magmatique. Cela signifie que les niveaux d’émission de SO2 mesurés par le HVO (environ 30 tonnes par jour) sous-estiment le SO2 émis globalement par le Kilauea. Sans le lac, les émissions de SO2 au sommet du volcan seraient probablement plus élevées. Cette découverte est importante car un niveau d’émission de SO2 en hausse peut indiquer la présence de magma à faible profondeur.  .
Source: HVO.

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As expected, HVO recently sampled the Halema‘uma‘u water lake at the bottom of Kilauea’s summit crater. The water has risen about 90 centimetres per week since first spotted on July 25th, 2019. Initially, HVO was limited to remote observations of lake size, colour, and surface temperature. As the lake grew, HVO began formulating a plan to sample the water. Indeed, the lake’s chemistry could reveal where the water was coming from and what it might mean for degassing and potential hazards at Kilauea’s summit.

It was decided that a UAS was the best option for sampling. On October 26th, a drone successfully collected about 0.73 litres of water from the lake. The sample was then shipped to mainland USGS laboratories for sophisticated analyses.

Results thus far indicate an acidic lake, with a pH of 4.2 (neutral is pH 7). Interestingly, most volcanic crater lakes have a pH of less than 3.5 (more acidic) or higher than 5 (less acidic), which places the Halema’uma’u lake in the midddle range.

Mathematical modelling performed prior to the lake’s appearance predicted that groundwater could flow into Halema‘uma‘u once the area had cooled enough after the 2008-18 lava lake drained away. So, it was not entirely a surprise when water began to pond in the crater.

But, it’s important to note that Halema‘uma‘u is where most summit sulfur dioxide (SO2) degassing takes place, and that SO2 dissolves readily in water.

As water flows underground toward the now-cooling crater, it dissolves SO2 rising from magma below. This leads to high concentrations of sulfate ions in the lake (53,000 milligrams per liter) and a tendency towards a more acidic pH.

However, that acidic water reacts chemically with Kilauea’s basaltic rock, which makes the lake less acidic (raises the pH) and results in high concentrations of magnesium in the water. The ratios of magnesium to sodium and of sodium to potassium in the lake water are similar to those ratios in Kilauea’s basalt, which is further evidence of chemical reactions between the water and rocks.

Calcium concentrations are not very high in the water sample; calcium is instead combining with sulfate ions to form solid minerals that precipitate from the water. Iron is also likely forming various minerals, contributing to the lake’s yellowish colours.

Complex gas/rock reactions result in Kilauea’s lake water being chemically different from groundwater in a research well south of Halema‘uma‘u and from rainwater. Testing of oxygen and hydrogen that form the water molecules indicate that the lake water was originally rain that percolated into the subsurface where it became groundwater and the chemistry changed.

The Halema’uma’u lake is still rising. The current pH reflects the balance between incoming groundwater and the degree of SO2 degassing from below. If the lake level stabilizes, or the amount of SO2 changes, the pH may also change. At Mount Pinatubo (Philippines), after the 1991 eruption, a crater lake formed with a nearly-neutral pH but became more acidic with increased SO2 degassing and later volcanic activity.

Chemical analyses confirm that the Halema’uma’u crater lake dissolves magmatic SO2. This implies that HVO’s measured SO2 emission rates (about 30 tonnes per day) underestimate the total outgassed SO2 at Kilauea. Without the lake, SO2 emissions from the summit would likely be higher. This finding is important given that an increasing SO2 emission rate can indicate shallowing magma.

Source : HVO.

Le lac acide au fond du cratère de l’Halema’uma’u (Crédit photo: HVO)

Kilauea (Hawaii): L’eau de l’Halema’uma’u // The water in Halema’uma’u Crater

Au cours de l’éruption du Kilauea en 2018, le plancher de l’Halema’uma’u s’est effondré lorsque le magma a quitté le réservoir sommital pour se diriger vers la Lower East Rift Zone où la lave a détruit quelque 700 structures. Aujourd’hui, le plancher de la caldeira a été remplacé par un gouffre profond d’environ 500 mètres, et une petite mare d’eau est apparue en juillet 2019 au fond du nouveau cratère qui a la forme d’un cône inversé.

L’USGS a mis en ligne un document dans lequel Matt Patrick et Jim Kauahikaua (géologue et géophysicien au HVO) expliquent comment et pourquoi cette eau est apparue au fond du cratère, et comment pourrait évoluer la situation. Vous pourrez visionner le document en anglais en cliquant sur ce lien :

https://youtu.be/WLpBMa1576I

En voici une petite synthèse en français :

Au début la mare d’eau était relativement petite, d’une dizaine de mètres de diamètre, et peu profonde.

Les scientifiques se sont demandés quelle pouvait en être l’origine. Il y avait deux possibilités : ce pouvait être le résultat de l’accumulation d’eau de pluie, ou bien une résurgence de la nappe phréatique qui se trouve sous le cratère de l’Halemau’lau’.

Avant l’éruption, des forages avaient révélé que la partie supérieure de la nappe phréatique se trouvait à environ  500 mètres sous le plancher de la caldeira.

Au moment de l’éruption, quand le plancher de la caldeira s’est effondré et a été remplacé par le gouffre profond que l’on observe aujourd’hui, le niveau de la nappe phréatique s’est abaissé sous le cratère nouvellement formé, tout en étant isolée de la lave par un manchon de matériaux.. On peut voir le comportement de la nappe phréatique pendant et à la fin de l’éruption sur ces deux schémas :

 Une fois l’éruption terminée en août 2018, la situation géologique du sommet du Kilauea s’est stabilisée, de sorte que le niveau de la nappe phréatique a commencé à s’élever et, peu à peu, va probablement retrouver son niveau d’origine, autrement dit un équilibre hydraulique avec la nappe phréatique. C’est un phénomène que l’on a déjà observé dans les mines où la nappe phréatique a occupé à nouveau les puits une fois que leur exploitation a été abandonnée.

 Aujourd’hui, la mare d’eau  présente une longueur d’une centaine de mètres de longueur sur une cinquantaine de largeur et une profondeur estimée à une dizaine de mètres. Son niveau s’élève d’une douzaine de centimètres par jour.

Les vidéos en accéléré montrent que la surface est agitée par de nouvelles arrivées d’eau en provenance de la bordure sud de la mare et présente des couleurs allant du jaune au vert, ce qui montre des concentrations importantes de soufre. Il sera intéressant – quand il sera techniquement possible de prélever des échantillons – d’analyser cette eau chauffée par le magma en dessous et dont la température très stable se situe autour de 70°C.

(Photos et schémas: HVO / USGS)

 S’agissant de l’évolution de la situation, le risque serait qu’une arrivée de magma juvénile entre en contact avec cette eau, ce qui ne manquerait pas de provoquer des explosions. Toutefois, les deux scientifiques pensent que ces explosions seraient relativement modestes, avec des projections qui ne dépasseraient pas l’enceinte du cratère de l’Halema’uma’u.

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During the 2018 Kilauea eruption, the Halema’umau’ crater floor collapsed when magma travelled to the East Rift Zone where it erupted, destroying about 700 structures. Today a huge gap about 500 metres deep has replaced the caldera floor and a small water pond appeared in July 2019 at the bottom of the inverted cone.

USGS has released a document in which Matt Patrick and Jim Kauahikaua (HVO geologist and geophysicist) explain how and why the water pond appeared and what could be its evolution for the future. You will see the document by clicking o this link:

https://youtu.be/WLpBMa1576I

Halema’uma’u (Hawaii): Eau de pluie ou eau de source? // The water in Halema’uma’u (Hawaii): Rainwater or groundwater?

La mare d’eau au fond du nouveau cratère de Halema’uma’u soulève un certain nombre de questions. Les deux plus fréquentes sont: d’où vient l’eau et quelles pourraient être ses conséquences?
Les deux sources les plus probables sont l’eau de pluie et l’eau souterraine, autrement dit la présence d’une nappe phréatique. Selon les scientifiques du HVO, les deux hypothèses sont à prendre en compte, avec une préférence pour les eaux d’origine souterraine.
La nappe phréatique dans la zone sommitale du Kilauea se situe à une altitude d’environ 590 mètres, telle qu’elle a été mesurée dans un puits de forage creusé en 1973 à environ 800 mètres au sud de Halema’uma’u. La hauteur du plancher d’Halema’uma’u est d’environ 512 mètres, soit 70 mètres en dessous de la nappe phréatique qui se trouve à proximité.
Avant l’effondrement du sommet du Kilauea en 2018, les données géophysiques laissaient supposer que la nappe phréatique à proximité de Halema’uma’uu était à peu près à la même altitude que dans le forage, mais elle s’est probablement modifiée lors de l’effondrement du cratère. La nappe phréatique est probablement en train de se rétablir et, au fur et  à mesure qu’elle monte, l’eau s’infiltre dans des zones basses au niveau du plancher du cratère.
En ce moment, la surface de la mare d’eau dans le cratère s’élève lentement et régulièrement, ce qui correspond probablement à une hausse de la nappe phréatique. Le niveau de l’eau dans le cratère augmenterait par à-coups s’il dépendait des fortes pluies sur le Kilauea. Or, l’Halema’suma n’a pas reçu de fortes pluies depuis la première observation de l’eau dans le cratère le 25 juillet 2019. Il serait intéressant de prélever un échantillon de cette eau et de la dater à l’aide de moyens isotopiques; l’eau de pluie aurait l’âge actuel, tandis que les eaux souterraines seraient plus vieilles.
En ce qui concerne la profondeur de la mare, elle ne dépasse pas quelques mètres. Il se pourrait que ce ne soit que le sommet de la zone saturée en eau, qui pourrait atteindre plusieurs dizaines de mètres de profondeur. Cette profondeur n’est toutefois pas infinie car elle est forcément freinée par la chaleur résiduelle du magma dans le conduit d’alimentation. Malgré tout, à mesure que le conduit refroidit, une plus grande quantité d’eau peut s’accumuler et contribuer à augmenter le volume en surface.

Le volume de la masse d’eau aura forcément une influence sur les risques potentiels. Une simple mare n’aura aucune incidence sur la prochaine éruption sommitale. En revanche, si le magma devait entrer en contact avec plusieurs dizaines de mètres d’eau, un scénario explosif plus important pourrait être observé, comme cela s’est déjà produit dans le passé.
Source: USGS / HVO.

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The pond of water at the bottom of Halema‘uma‘u’s new crater is raising many questions. The two most frequent are, where is the water coming from and what is its importance?

Two potential sources of the water are recent rainfall and groundwater. According to HVO scientists, either remains a possibility. Circumstantial evidence, however, favours groundwater.

The local water table, below which rocks are saturated with water, is at an elevation of about 590 metres, as measured in a deep hole drilled in 1973 about 800 metres south of Halema‘uma‘u. The elevation of the floor of Halema‘uma‘u is about 512 metres, 70 metres lower than the nearby water table.

Before the 2018 collapse of Kilauea’s summit, geophysical data suggested that the water table near Halema‘uma‘u was at about the same elevation as in the drill hole, but it was apparently drawn down during the collapse. The water table is likely recovering now, and as it rises, water inundates low areas such as the crater floor.

So far, the surface of the pond is rising slowly and steadily, consistent with a rising water table. Normally, the pond level would rise in jumps during downpours if rain was directly responsible for feeding it. However, Halema‘uma‘u has experienced no heavy rain since the pond was first observed on July 25th, 2019. It would be best to sample the water and date it using isotopic means; rain would have today’s age, groundwater an older age.

As far as the water’s depth is concerned, it is no more than a couple of metres. But the visible pond could be just the top of the saturated zone, which could conceivably be several tens of metres. There is probably a bottom to the standing water, because heat in the magma conduit below the floor of Halema‘uma‘u would boil away water at some depth. But as the conduit cools, the floor of standing water could move downward, deepening the water body from below as well as at the surface.

The total thickness of the water body impacts potential hazards. A mere puddle would scarcely affect the next summit eruption. But, if rising magma had to penetrate several tens of metres of water, an explosive scenario that has played out in the past could repeat.

Source: USGS / HVO.

Crédit photo: USGS / HVO

L’eau de l’Halema’uma’u (Hawaii) // The water of Halema’uma’u (Hawaii)

La dernière éruption du Kilauea a pris fin en août 2018 et il n’y a actuellement aucune coulée de lave sur le volcan….mais il y a de l’eau au fond du cratère de l’Halema’uma’u, au sommet du Kilauea ! Le lac de lave qui a persisté pendant l’éruption a maintenant été remplacé par des mares d’eau. .
L’apparition récente d’eau au fond du cratère a provoqué de nombreuses interrogations. Comme on peut le voir sur les photos mises en ligne par le HVO (voir ci-dessous), cette eau est de couleur turquoise, laiteuse ou verdâtre, ce qui trahit la présence de soufre dissous et de métaux provenant du mélange avec l’eau des gaz magmatiques ou des roches environnantes. Les caméras thermiques révèlent une température de surface d’environ 70°C.
L’eau au fond de l’Halema’uma’u n’est pas visible depuis les zones du parc national ouvertes au public, mais le HVO a déplacé l’une de ses webcams vers un site offrant une vue directe sur le fond du cratère.
Pour mesurer le niveau de cette eau, les scientifiques du HVO utilisent un télémètre laser à longue portée. Les mesures quotidiennes montrent que le niveau s’est lentement élevé. Les prochains survols en hélicoptère permettront de cartographier et de mesurer avec précision la superficie et le volume des mares. À l’aide de photographies obliques, il est possible de créer des modèles tridimensionnels du fond du cratère. La comparaison de ces modèles mis à jour régulièrement avec les données LIDAR (système de mesure par détection laser) collectées en juillet 2019 permettra d’estimer le volume d’eau. Les images satellites haute résolution compléteront ces informations. Des drones pourront également fournir des images aériennes et des mesures précises de la superficie et du volume de l’eau accumulée.
L’échantillonnage direct et les analyses chimiques permettront enfin de savoir s’il s’agit d’une accumulation d’eau de pluie en surface ou d’une eau souterraine plus profonde. Il se peut aussi qu’une partie de l’eau provienne de la condensation de la vapeur produite directement par le magma.

Une meilleure connaissance de la source de cette eau permettra de mieux comprendre les dangers possibles qui y sont associés. Par exemple, si elle est une émergence de la vaste zone d’eaux souterraines autour du cratère, elle risque d’interagir avec une montée éventuelle du magma et provoquer une activité explosive.
A cause de la dangerosité du site, l’échantillonnage direct est problématique. Il est déconseillé de se rendre auprès des mares en raison de l’accumulation possible de dioxyde de carbone au fond du cratère. Les effondrements fréquents des pentes instables du cratère sont un autre danger. Les prélèvements se feront probablement par la voie aérienne, avec un récipient de captage accroché au bout d’un filin.
À l’heure actuelle, les instruments ne révèlent aucun signe d’activité à court terme au sommet du Kilauea. Le réservoir magmatique sommital continue à se recharger lentement. Le niveau d’alerte volcanique est maintenu à « Normal ». En conséquence, le HVO n’émet plus que des bulletins mensuels.
Source: USGS / HVO.

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The last eruption of Kilauea ended in August 2018 and there is currently no active lava on the volcano….but there is water at the bottom of Halema’uma’u Crater. The lava lake that persisted during the eruption has now been replaced by water ponds.   .

The recent appearance of water at the bottom of Halema‘uma‘u Crater at the summit of Kilauea, has attracted wide attention and generated many questions. As shown in HVO’s website photos, the ponds are milky turquoise, or greenish, in colour, indicative of dissolved sulphur and metals from magmatic gases or surrounding rock mixing into the water. Thermal images show water surface temperatures of approximately 70°C.

The water in Halema‘uma‘u is not visible from publicly accessible areas of the national park but HVO has moved one of its existing webcams to a site that provides a direct view of the ponds.

To measure the level of water in the ponds, HVO scientists use a long-range laser rangefinder. These daily measurements show that the water level has slowly risen. Future helicopter overflights will allow for the mapping and precise measuring of the area and volume of the changing ponds. Using oblique photographs, 3-dimensional models of the crater floor can be created. Comparing these updated models with the LIDAR (light detection and ranging) data collected in July 2019 will help estimate water volume. High-resolution satellite images can fill in observational gaps between HVO’s overflights. Drones could also provide aerial imagery and precise measurements of pond area and volume.

Direct sampling and chemical analyses of the water in Halema‘uma‘u would provide insight into its source, and know if it is a shallow accumulation of rainwater or the surface expression of a deeper-seated layer of groundwater. Some of the water could also be from condensed water vapour directly released by the magma. Knowing the water’s source will offer a better understanding of the possible hazards associated with it. For instance, if the water is from the extensive zone of groundwater around the crater, it could be more likely to interact with rising magma and result in explosive activity.

Given the hazardous location of the water, however, direct sampling is tricky. Walking down to the ponds is not advised due to the possible accumulation of carbon dioxide on the crater floor. Other dangers include frequent rockfalls from the steep, unstable slopes.

At the current time, monitoring data do not indicate any signs of imminent unrest at Kilauea’s summit. Magma continues to quietly recharge the summit magma reservoir.

The alert level for Kilauea remains at Normal. Reflecting this alert level, HVO is now only issuing monthly updates.

Source: USGS / HVO.

Vue générale du cratère de l’Halema’uma’u avec la petite mare d’eau au fond de la cavité (Crédit photo: USGS / HVO)

Vue rapprochée de l’eau au fond de l’Halema’uma’u le 8 août 2019 (Crédit photo: USGS / HVO)