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Le poids des volcans hawaiiens // The weight of Hawaiian volcanoes

L’État d’Hawaii est l’un des endroits les plus exposés aux séismes aux États-Unis. Contrairement à d’autres Etats comme la Californie où les secousses sont liées au mouvement des plaques tectoniques, la sismicité à Hawaii est à mettre directement en relation avec les volcans.

La sismicité à Hawaii est due à trois causes principales : 1) le mouvement du magma sous les volcans actifs ; 2) le glissement des flancs des volcans le long de la zone entre l’ancienne croûte océanique et les volcans sus-jacents ; 3) la flexion de la croûte terrestre et du manteau supérieur sous le poids des volcans.

Un séisme de M 5.2 lié à la troisième cause s’est produit le 5 juillet 2021 à 5 km au large de la côte nord de Big Island, à 27 kilomètres sous le niveau de la mer. Deux jours plus tard, un événement de M 4.2 a été enregistré sur le côté ouest de la Grande Ile. Les deux séismes étaient probablement liés aux contraintes exercées par le poids énorme des volcans– en particulier le Mauna Loa et le Mauna Kea – sur la croûte et le manteau.

Les contraintes générées par le poids des volcans sont faciles à comprendre. Au fur et à mesure que les volcans hawaiiens entrent en éruption et prennent du volume, ils ajoutent de plus en plus de poids à la surface de la Terre. Cela provoque un fléchissement de la plaque Pacifique, un peu comme le poids des livres fait fléchir une étagère. Un certain poids peut simplement faire fléchir l’étagère, mais un excès de poids peut provoquer sa rupture. Une telle rupture peut se produire si les plaques tectoniques plient et n’arrivent plus à supporter le poids qui les surmonte.

Les séismes causés par ce phénomène peuvent être assez importants ; certains peuvent avoir une magnitude supérieure à M 6.0. Parmi les séismes de flexion de plaque tectonique à Hawaï, on notera le séisme de M 6,8 à Lanai le 19 février 1871, un événement de M 6,8 à Maui le 22 janvier 1938 ou un séisme de M 5,2 à Oahu le 28 juin 1948. Ces séismes sont profonds, généralement entre 25 et 40 km, dans le manteau supérieur sous les volcans et la croûte océanique.

Pour analyser ces séismes, les scientifiques du HVO utilisent généralement les données GPS qui permettent de calculer comment un point spécifique à la surface de la Terre se déplace dans le temps. Le HVO exploite un réseau de plus de 65 stations GPS sur l’île d’Hawaii. Elles permettent de surveiller et suivre des mouvements extrêmement faibles à la surface de la Terre, y compris certains déplacements liés à la contrainte de flexion des plaques.

Pour améliorer la compréhension scientifique de la flexion des plaques dans l’archipel hawaiien, 7 nouveaux sites GPS sont en cours d’équipement sur les îles d’Hawaï, Molokai et Lanai. Ces nouveaux sites ont été choisis dans le but d’analyser les mouvements associés à la flexion des plaques, mais aussi pour se rendre compte si certains mouvements résultent de la flexion des plaques ou de la dynamique de systèmes magmatiques profonds sous les volcans.

Source : USGS/HVO.

On notera que cette flexion de l’écorce terrestre sous le poids des volcans est l’inverse du rebond isostatique observé dans les régions où la fonte des glaciers fait chuter leur masse et entraîne un soulèvement de l’écorce terrestre, comme en Islande, par exemple.

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The State of Hawaii is one of the most seismically active locations in the United States. Unlike some other earthquake-prone places in the US, like California, where the earthquakes are related to tectonic plates sliding past each other, seismicity in Hawaii is related to volcanoes.

There are three main causes for earthquakes in Hawaii are: 1) the movement of magma under active volcanoes; 2) the sliding of volcanoes’ flanks along the surface that separates the ancient oceanic crust and overlying volcanoes; 3) the bending or flexing of the Earth’s crust and upper mantle in response to the weight of the overlying volcanoes.

An M 5.2 earthquake related to the third cause occurred on July 5th, 2021 5 km off the north shore of Big Island at 27 kilometres below sea level. Two days later, an M 4.2 event occurred on the west side of the Island of Hawaii. Both earthquakes were likely related to stress caused by the enormous weight of the Hawaiian volcanoes – especially Mauna Loa and Mauna Kea – on the underlying crust and mantle.

The stress caused by the weight of the volcanoes is easy to understand. As Hawaiian volcanoes erupt and grow, they add more and more weight to the Earth’s surface. This causes the Pacific Plate to flex downward, much like the bending caused by heaving books on an overloaded bookshelf. Some weight may just make the shelf bow, but a lot of weight may cause the shelf to start to splinter or break. Those breaks are similar to what happens in tectonic plates if they bend too. Earthquakes caused by this flexure can be quite large ; some can be greater than M 6.0.

Some additional past Hawaiian flexure earthquakes include the M 6.8 Lanai earthquake on February 19th, 1871, an M 6.8 event in Maui on January 22nd, 1938, or an M 5.2 quake in Oahu on June 28th, 1948.

These earthquakes are deep, typically 25–40 km, within the uppermost mantle underneath volcanoes and oceanic crust. To measure these quakes, HVO scientists typically use GPS data. GPS instruments allow to calculate how a specific point on the Earth’s surface moves throughout time. HVO operates a network of over 65 GPS stations on the Island of Hawaii. They are used to monitor and track extremely small movements at the Earth’s surface, including some displacements related to plate flexure stress.

To improve the scientific understanding of plate bending in the Hawaiian Islands, 7 new GPS sites are being equipped on the islands of Hawaii, Molokai, and Lanai. These new sites are strategically placed to capture movement associated with plate bending and to test whether certain motions result from ongoing plate bending or from the dynamics of very deep magmatic systems beneath the volcanoes.

Source : USGS / HVO.

It should be noted that this bending of the Earth’s crust under the weight of volcanoes is the reverse of the isostatic rebound observed in regions where the melting of glaciers causes their mass to drop and the Earth’s crust to rise, as in Iceland, for instance.

Le Mauna Loa (à gauche) et le Mauna Kea (à droite) exercent un pression considérable sur l’écorce terrestre (Photo : C. Grandpey)

Activité sismique sur le Lo’ihi (Hawaii) // Seismic activity at Lo’ihi (Hawaii)

Un séisme de M 4.0 a été enregistré sous le Lō’ihi le 2 juin 2021 à 18h44. L’USGS indique que l’épicentre se trouvait à environ 41 km au sud-est de Nā’ālehu, sous le volcan sous-marin, à une profondeur de 11 km. Le séisme ne semble pas avoir eu d’effet sur le Kīlauea ou le Mauna Loa et aucun dégât significatif n’a été signalé.

Le Loihi est un volcan actif dont le sommet se trouve à environ 975 mètres sous la surface du Pacifique. La zone sommitale possède trois cratères et les scientifiques pensent que la chambre magmatique est peu profonde, juste sous la surface.

Le Loihi est rarement visité et aucune éruption n’a été observée, mais les chercheurs pensent que le volcan est le théâtre d’événements éruptifs explosifs et effusifs.

Des séismes sont enregistrés sur le Loihi depuis des décennies. Au cours de l’été 1996, il y a eu plus de 4 000 secousses, dont 300 supérieures à M 3.0 et 95 supérieures à M 4.0.

En 2020, l’USGS a signalé plus de 100 séismes sur le Loihi à la mi-mai. L’activité sismique a pu correspondre à une brève éruption ou au mouvement du magma à l’intérieur du volcan.

Il n’y a pas d’instruments de surveillance installés sur le volcan et les mesures sont effectuées à partir de stations sur la Grande Ile.

Il est probable que le Loihi percera un jour la surface de l’océan et deviendra une nouvelle île. Les scientifiques ne savent combien de temps cela prendra et dépend de l’activité éruptive. Ils pensent que cela pourrait se produire dans environ 200 000 ans. Prévision gratuite et sans le moindre risque !

Source : USGS/HVO.

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An M 4.0 earthquake located beneath the Lō‘ihi seamount occurred on June 2nd, 2021 at 6:44 p.m. USGS indicates the event was centered about 41 km southeast of Nā’ālehu, under Lō‘ihi seamount at a depth of 11 km. The earthquake had no apparent effect on Kīlauea or Mauna Loa volcanoes and no significant damage was reported.

Loihi is an active volcano with its summit about 975 metres below the surface of the Pacific. The summit area has three craters and scientists believe it has a shallow magma chamber just beneath the surface.

An eruption of the rarely visited volcano has never been observed, but researchers believe Loihi has explosive and effusive eruptive events.

Earthquakes have been recorded at Loihi for decades. In the summer of 1996, there were more than 4,000 earthquakes at the seamount, 300 of which were larger than M 3.0 and 95 larger than M 4.0.

Last year, USGS reported more than 100 earthquakes at Loihi in the middle of May. The earthquake activity could have represented a brief eruption or the movement of magma inside the volcano.

There are no monitoring instruments on the deep-water volcano and measurements are taken from stations on the Big Island.

Loihi is likely to one day break the surface of the ocean and become a new island. Scientists cannot predict how long that would take because it depends on the rate of eruption, but they say it could happen in about 200,000 years.

Source : USGS / HVO.

Source : USGS / HVO

Kilauea (Hawaii) : arrêt momentané… ou définitif de l’éruption // A pause or a definitive stop of the eruption

Le HVO a essayé de retarder la nouvelle le plus longtemps possible (le volcan attire les touristes sur la Grande Ile) mais il a bien fallu se rendre à l’évidence : la bouche qui s’était ouverte dans la paroi interne NO de l’Halema’uma’u s’est tarie et n’alimente plus l’accumulation de lave (ce n’était pas vraiment un lac de lave au sens où on l’entend habituellement) dont la surface est devenue désespérément inerte et froide.

L’Observatoire parle d’une « pause » dans l’éruption et indique que « l’éruption pourrait reprendre bientôt. »  A Hawaii comme ailleurs, malgré le grand nombre d’instruments disséminés sur les volcans, on ne sait pas prévoir…

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HVO has tried to delay the piece of news as long as possible (the volcano attracts tourists to the Big Island) but local geologists had to face the facts: the vent that had opened in the inner NW wall of Halema’uma’u has dried up and no longer feeds lava into the lake (actually it wasn’t really a lava lake but rather an accumulation of lava) whose surface has become hopelessly inert and cold . The Observatory speaks of a « pause » in the eruption and indicates that « the eruption may resume soon. » In Hawaii as elsewhere, despite the large number of instruments scattered over volcanoes, they cannot predict eruptions …

Source : HVO

Mauna Loa (Hawaii) : un géant endormi // A sleeping giant

L’éruption du Kilauea en 2021 n’est pas très spectaculaire et n’attire pas beaucoup de touristes car la surface active de la lave n’est pas visible depuis la terrasse d’observation.

En guise de compensation, le HVO nous rappelle qu’il existe un autre volcan potentiellement actif sur la Grande Ile d’Hawaii et l’Observatoire pose la question: «Quand le Mauna Loa va-t-il entrer à nouveau en éruption?» Le Mauna Loa n’est pas en éruption actuellement, mais on observe des signes d’activité au-dessus de la normale depuis juillet 2019 C’est pourquoi le HVO a fait passer le niveau d’alerte volcanique à ADVISORY (surveillance conseillée) et le la couleur de l’alerte aérienne au JAUNE.

Le Mauna Loa est le plus grand volcan actif sur Terre (les Américains sont vraiment friands de superlatifs!) et il occupe un peu plus de la moitié de l’île d’Hawaï. Volcan bouclier, il s’élève progressivement à 4170 m au-dessus du niveau de la mer, mais ses flancs descendent sur 5 km sous le niveau de la mer jusqu’au fond de l’océan, ce qui fait du Mauna Loa la plus haute montagne de la planète.

Comme le Kilauea, le Mauna Loa a une caldeira sommitale et deux zones de rift actives qui partent de son sommet. Les éruptions peuvent être de courte ou de longue durée et se produire au sommet, sur les zones de rift sud-ouest ou nord-est, ou à partir de bouches radiales sur les flancs nord et ouest du volcan.

L’histoire montre que les éruptions du Mauna Loa peuvent commencer sans pratiquement de signes avant-coureurs et produire d’impressionnants volumes de lave qui parcourent de longues distances sur de courtes périodes de temps, avec des dégâts facile à imaginer pour les localités présentes au pied du volcan.

La dernière éruption du Mauna Loa a commencé à son sommet le 25 mars 1984. Une série de fissures s’est ouverte le long de la zone de rift nord-est. Elles ont alimenté des coulées de lave qui sont arrivées à moins de 17 km de Hilo Bay en 5 jours. L’éruption s’est terminée le 15 avril.

L’éruption du Mauna Loa qui a émis les plus importants volumes de lave en un temps record a commencé le 1er juin 1950, lorsque des fissures se sont ouvertes dans la partie supérieure du Rift Sud-Ouest, avec une coulée de lave qui a parcouru 24 km et a atteint l’océan en moins de 3 heures! Au cours des 23 jours suivants, des coulées de lave sont descendues de part et d’autres de la zone de rift. Elles ont noyé le village côtier de Ho’okena-mauka et recouvert la Highway 11 en trois endroits.

En ce qui concerne la situation actuelle, les sismomètres du HVO ont enregistré entre le 15 et le 21 février 2021 271 petits séismes (magnitude inférieure à M 2,0) superficiels (moins de 6 km de profondeur) sur le Mauna Loa : 226 ont été localisés sous le sommet et sous les flancs supérieurs du volcan. Il s’agit d’une hausse relative de l’activité, mais qui reste dans la fourchette des événements observés ces des dernières années. Les scientifiques du HVO pensent que l’activité sismique peu profonde s’intensifiera avant une éruption.

L’examen des données de 1984 peut aider à mettre en perspective les observations récentes. Un signe annonciateur de l’éruption de 1984 a été une augmentation brutale du nombre de petits séismes et du tremor volcanique. Des centaines, et parfois plus de mille, secousses ont été enregistrées chaque jour par le réseau sismique du HVO. Dans les heures qui ont précédé l’éruption de 1984, l’activité sismique était telle que les télescopes astronomiques du Mauna Kea, à 42 km de distance, ne pouvaient pas être stabilisés en raison des vibrations constantes du sol.

Le HVO utilise des outils de surveillance à distance qui n’existaient pas en 1984. Le réseau GPS et les tiltmètres enregistrent la déformation du sol en continu. Cette dernière montre une inflation sommitale lente et sur le long terme, en relation avec l’alimentation de la chambre magmatique peu profonde. La légère hausse de l’inflation sommitale qui a débuté en janvier 2021 se poursuit. Les outils de surveillance actuels comprennent également des webcams haute résolution, des réseaux d’infrasons, des jauges de déformation, des capteurs d’émission de gaz, l’accès aux mesures satellitaires et l’imagerie thermique.

Quand le Mauna Loa entrera-t-il à nouveau en éruption? Il est malheureusement impossible de prévoir la date et l’heure de la prochaine colère du volcan. Les mesures géophysiques indiquent que la chambre magmatique du Mauna Loa se recharge depuis l’éruption de 1984 et qu’il y a des signes d’activité significatifs depuis 2019, mais la prochaine éruption du Mauna Loa ne semble pas imminente. Néanmoins, la récente augmentation de la sismicité et de la déformation du sol rappelle que Mauna Loa est un «géant endormi».

Source: USGS / HVO.

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The 2021 eruption of Kilauea is not dramatic these days and does not attract many tourists as the active surface of the lava cannot be seen from the observation terrace.

As a compensation, HVO reminds us that there is another potentially active volcano on Hawaii Big Island. The Observatory askes the question: “When will Mauna Loa erupt next?”

Mauna Loa is not currently erupting, but there have been signs of unrest above background level since July 2019, which led HVO to increase the Volcano Alert Level to ADVISORY and the Aviation Colour Code to YELLOW.

Mauna Loa is the largest active volcano on Earth (Americans are really fond of superlatives!), covering just over half of the Island of Hawaii. A shield volcano, it rises gradually to 4,170 m above sea level, and its long submarine flanks descend 5 km below sea level to the ocean floor.

Mauna Loa, like Kilauea, has a summit caldera and two active rift zones extending from its summit. Eruptions may be short- or long-lived, and occur at the summit, on either the Southwest or Northeast Rift Zones, or radial vents on the north and western flanks on the volcano.

History shows that Mauna Loa eruptions can begin with very little warning and produce high volume lava flows that travel long distances in short periods of time, impacting communities on the flanks of the volcano.

Mauna Loa’s last eruption began at its summit on March 25th, 1984. A series of fissures opened along the Northeast Rift Zone, feeding lava flows that came to within 17 km of Hilo Bay in 5 days. The eruption ended on April 15th.

The fastest high-volume eruption from Mauna Loa in recorded history began on June 1st, 1950, when fissures opened from the uppermost Southwest Rift Zone, generating a lava flow that travelled 24 km and reached the ocean in less than 3 hours! Over the next 23 days, lava flows descended on both sides of the rift zone, inundating the coastal village of Ho’okena-mauka and covering Highway 11 in three places

As far as the current situation is concerned, HVO seismometers recorded approximately 271 small (under M 2.0), shallow (less than 6 km deep) earthquakes last week on Mauna Loa, 226 of which were beneath the summit and upper-elevation flanks. This is a relative increase in activity, but within the range of fluctuations observed over the past several years. HVO scientists expect that shallow seismic activity will become more sustained before an eruption.

Review of data from 1984 can help put recent observations into perspective. An immediate precursor to the 1984 eruption was an abrupt increase in the number of small earthquakes and volcanic tremor. Hundreds to over a thousand earthquakes were recorded by HVO’s seismic network each day. In the hours before the 1984 eruption, seismic activity increased to the point that the astronomical telescopes on Mauna Kea, 42 km, could not be stabilized because of the constant ground vibration.

HVO also uses remote monitoring capabilities that were not available in 1984. Global Positioning System (GPS) and tiltmeter stations record continuous ground deformation measurements that show slow, long-term summit inflation, consistent with magma supply to the volcano’s shallow storage system. A slight increase in the rate of inflation at the summit that began in January 2021 is continuing.

Current monitoring tools also include high resolution webcams, infrasound arrays, strainmeters, gas emission sensors, and access to spaceborne radar and thermal imaging measurements.

So, when will Mauna Loa erupt next? It is not possible to “predict” the exact date and time. Geophysical measurements indicate that Mauna Loa’s magma storage system has been recharging since the 1984 eruption, and there have been signs of elevated unrest since 2019, but the next Mauna Loa eruption does not appear to be imminent. Nevertheless, the recent slight increase in seismicity and ground deformation is a reminder that Mauna Loa is a “sleeping giant.”

Source: USGS / HVO.

Cette carte du Mauna Loa montre des coulées de lave émises depuis 1823 (en gris), le nombre approximatif d’heures ou de jours mis par une coulée pour aller depuis la bouche éruptive jusqu’à l’océan, ou la distance maximale parcourue par une coulée. Une coulée a dévalé les pentes abruptes du flanc ouest du Mauna Loa et a atteint l’océan en seulement 3 heures après l’ouverture d’une bouche éruptive en 1950.

Les chiffres en gras font référence au débit éruptif de la lave en millions de mètres cubes par jour. On remarquera que le flanc ouest a les pentes les plus raides (zones rouge-orange), la distance la plus courte entre la bouche éruptive et l’océan et le débit éruptif le plus élevé pendant les éruptions. Il reste donc peu de temps pour avertir la population lors d’une éruption dans la zone de rift sud-ouest du Mauna Loa. (Source: USGS)

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This map of Mauna Loa, shows lava flows erupted since 1823 (gray), the approximate number of hours or days it took for a flow to advance from the vent location to the ocean or maximum reach of a flow. One flow that moved down the steep slopes on west flank of Mauna Loa reached the ocean in as little as 3 hours after the vent started erupting in 1950. The bold numbers (for example, 12Mm3/d) are the average rates of lava effusion (outpouring of lava) in millions of cubic meters per day. Note the west flank has the steepest slopes (red-orange areas), shortest distance from vent to the ocean, and the highest average rate of effusion during eruptions, resulting in precious little time for warning residents during an eruption from the Southwest Rift Zone of Mauna Loa.  (Source : USGS)

Caldeira sommitale du Mauna Loa (Photo : C. Grandpey)