Failles et sismicité sur le Kilauea (Hawaii) // Faults and seismicity on Kilauea Volcano (Hawaii)

Outre l’activité volcanique, la sismicité est présente sur la Grande Ile d’Hawaï. En particulier, le flanc sud du Kilauea est l’une des régions les plus sismiquement actives des États-Unis. Chaque année, le HVO enregistre des milliers de secousses dans cette partie de l’île.

Le réseau de failles de Koa’e relie les zones de Rift Est et de Rift Sud-ouest du Kilauea au sud de la caldeira. Cette zone de faille recoupe le Rift Est près du cratère Pauahi et s’étire sur près de 12 km dans une direction est-nord-est vers l’ouest, jusque près du Mauna Iki et la zone de Rift Sud-Ouest (voir carte ci-dessous).
Les failles apparaissent sous forme de petites falaises ou d’escarpements le long de Hilina Pali Road dans le Parc des volcans d’Hawaï. Ces falaises le long des failles glissent lors de séismes majeurs, comme celui du 4 mai 2018, avant le début de l’éruption du Kilauea.
Les mouvements des failles de Koa’e ont fait se déplacer de 1,50 mètre d’anciennes coulées de lave sur une période de plusieurs siècles. Cette zone fournit de bonnes indications sur les mouvements de failles sur le long terme car les coulées de lave ne l’ont pas recouverte, ce qui permet une bonne lisibilité du mouvement du flanc sud du Kilauea. Plus récemment, des failles ont décalé des routes ainsi que sentiers utilisés par les premiers Hawaïens. Il était donc intéressant de savoir si les failles avaient bougé pendant et après l’éruption de 2018.
La géodésie est encore utilisée pour étudier la morphologie des volcans hawaïens, même si les géologues ont souvent recours à des technologies plus modernes, telles que l’interférométrie par satellite et le GPS.
Une approche plus ancienne, le «nivellement», reste une méthode géodésique précieuse quelque 170 ans après son invention. Les scientifiques du HVO l’utilisent depuis des décennies pour étudier les volcans, avec des résultats intéressants.
Depuis l’éruption de 2018, le département de géologie de l’Université d’Hawaï à Hilo a collaboré avec des scientifiques du HVO pour effectuer des opérations de nivellement là où cette technique est la plus adaptée. Le nivellement utilise des théodolites pour mesurer avec précision les différences d’élévation entre des stations marquées par des repères ancrés dans le substrat rocheux. Si les altitudes et les distances entre les stations de mesure ont changé pendant le temps écoulé depuis les mesures précédentes, une répétition du nivellement détecte le changement jusqu’à l’échelle millimétrique. Le nivellement nécessite des équipes de personnes travaillant le long d’une grille établie sur le terrain, ce qui demande beaucoup de temps. Les stations de mesure sont généralement espacées d’environ 90 mètres.
Les scientifiques de l’USGS ont commencé le nivellement le long des failles de Koa’e dans les années 1960, ce qui a permis d’obtenir des mesures sur le long terme. Dans les années 1960, la bande de terre d’environ trois kilomètres au coeur du système de failles de Koa’e s’est élargie d’environ 1,5 cm chaque année. Les failles individuelles ne jouent en général que de quelques millimètres chacune. En revanche, lors des séismes de 2018, on a enregistré le plus important mouvement vertical le long d’une seule faille, avec un déplacement de plus de 40 cm.
Lorsque les failles de Koa’e bougent, elles glissent verticalement ou s’ouvrent en créant de profondes fissures. Un exemple spectaculaire de ce phénomène a été observé au niveau d’Hilina Pali Road en 2018 quand la faille a coupé la route en deux. Peu de temps après la fin de l’éruption de 2018, le nivellement a révélé que les mouvements le long des failles de Koa’e avaient retrouvé leur rythme normal, beaucoup plus lent.
La campagne de nivellement actuelle sur le réseau de failles de Koa’e a révélé que la majeure partie du relief le long de ces falaises est modelée par des événements majeurs. Très peu de nouvelles fissures se sont formées à la suite des grands événements géologiques de 2018. Au lieu de cela, le mouvement a tendance à se poursuivre de manière répétitive le long des fissures existantes ; elles s’ouvrent plus largement et augmentent leurs escarpements avec le temps. Le comportement du réseau de failles de Koa’e est également étroitement lié à ce qui se passe ailleurs sur le volcan, comme les séismes de 2018 sous le flanc sud du Kilauea et l’effondrement à répétition de la caldeira sommitale.
Source: USGS / HVO.

———————————————-

Beside volcanic activity, seismicity is present on Hawaii Big Island. In particular, Kilauea’s south flank is one of the most seismically active regions in the United States. Each year, HVO records thousands of earthquakes occurring beneath the flank.

The Koa‘e fault system connects Kilauea’s East and Southwest Rift Zones south of the caldera. The fault zone intersects the East Rift near the Pauahi Crater and extends nearly 12 km in an east-northeast direction towards the westernmost boundary near Mauna Iki and the Southwest Rift Zone (see map below).

Faults here appear as low cliffs, or “scarps” along Hilina Pali Road in Hawai‘i Volcanoes National Park. These fault-cliffs slip during major earthquakes, such as those of May 4th, 2018, before the beginning of Kilauea’s 2018 eruption.

Koa‘e fault movements have offset ancient lava flows by as much as 1.50 metres over a period of centuries. This area provides an important long-term record of motion due to the lack of recent lava flows covering the faults, which makes it an ideal location to study the motion of Kilauea’s south flank. More recently, faults have offset roads and footpaths used by early Hawaiians. So, it is interesting to know how much fresh offset took place during and after the 2018 eruption.

Geodesy is still used to measure the shape of Hawaiian volcanoes. New technologies, such as satellite interferometry and the Global Positioning System (GPS), depend on satellites to make geodetic measurements.

One older approach, “levelling,” remains a valuable geodetic method some 170 years after it was invented. HVO scientists have used it for decades to study volcanoes, with significant results.

Since the 2018 eruption, the Geology Department at the University of Hawaii at Hilo has collaborated with HVO scientists to perform levelling where it is the best approach available. Levelling uses theodolites to precisely measure elevation differences between stations marked by stainless steel bolts cemented into bedrock. If elevations and distances have changed during the time since the previous measurements, repeat levelling will detect it even down to the millimetre scale. Levelling requires teams of people working along an established grid in the field, and this work demands quite a lot of time. Field stations are commonly set around 90 metres apart.

USGS scientists first began levelling along the Koa‘e faults in the 1960s, providing a long-standing record of data and field stations already in place. In the 1960s, the roughly three-kilometre land strip encompassed by the Koa‘e fault system widened by about 1.5 cm each year. Individual faults move only a few millimetres each.. In contrast, the largest vertical movement recorded during the 2018 earthquakes along a single fault was over 40 cm.

When the Koa‘e faults move, they either slide vertically or open to create a deep crack. A dramatic example of opening occurred at the Hilina Pali Road 2018 faulting which split the road. Shortly after the end of the 2018 eruption, levelling revealed that the rates of change along the Koa‘e faults quickly returned to the much slower normal pace.

The current Koa‘e levelling campaign has revealed that most of the relief along these cliffs is created by large events. Very few new cracks formed as a result of the large geologic events of 2018. Instead, motion tends to continue repeatedly along existing cracks, opening them wider and making their scarps taller over time. The motions along the Koa‘e faults are also sensitively tied to what happens elsewhere on the volcano, such as the 2018 earthquakes underneath Kilauea’s south flank and the repeated collapse of the summit caldera.

Source : USGS / HVO.

Carte géologique de la zone sommitale du Kilauea, avec le système de failles de Koa’e (Source : USGS)

Le mystère de l’eau sur le Kilauea (Hawaii) // The mystery of water on Kilauea Volcano (Hawaii)

Le 4 juillet 2018, un scientifique du HVO qui se trouvait à la Volcano House du Kilauea a pris une photo sur laquelle on peut voir une ligne sombre qui descend le long de la paroi de la caldeira sommitale, au-dessus du plancher de l’Halema’uma’u. (voir la photo ci-dessous). Dans le doute, elle a été baptisée «la traînée noire».
Les géologues du HVO ont déclaré qu’il y avait deux possibilités: cette trace noire pouvait être la cicatrice laissée par un effondrement le long de la pente recouverte de poussière. Ou bien, elle avait pu être creusée par l’eau.
Au cours des jours suivants, la « traînée noire » est allée et venue. Au final, les  observations ont montré que la traînée restait noire même quand une grande quantité de poussière s’élevait de Halema’uma’u. C’était la preuve qu’elle était façonnée par l’eau et non par des effondrements.
L’eau sortait d’un point situé entre 10 et 20 mètres sous la lèvre de la caldeira, au-dessus de la nappe phréatique qui alimente aujourd’hui le lac au fond du cratère (voir mes notes précédentes). La question était de savoir comment l’eau pouvait se trouver aussi haut dans cette zone.
Lorsque de fortes pluies se produisent sur le Kilauea, une rivière coule pendant environ une heure à la surface du sol entre l’extrémité sud d’Uekahuna Bluff et le Rift Sud-Ouest sur une distance de 600 à 800 mètres. Cette rivière a plusieurs mètres de largeur et quelques dizaines de centimètres de profondeur. Elle disparaît toujours avant d’atteindre le Rift SO en s’enfonçant dans le sable alluvial.

Les autres questions étaient de savoir 1) où allait cette eau, et 2) si c’était bien cette eau qui formait la traînée noire mentionnée ci-dessus. Les géologues du HVO pensent que c’était le cas. Après avoir disparu, l’eau de la rivière coule probablement sous terre mais est bloquée par des dykes sous la zone de Rift SO où elle s’accumule pour former un aquifère peu profond. La fracturation de la paroi de la caldeira lors de l’effondrement du sommet en 2018 a probablement ouvert une voie permettant à cette eau de sortir de l’aquifère et de se déverser dans la caldeira.
La « traînée noire », autrement dit la cascade d’eau, est réapparue périodiquement au cours des deux dernières années et le HVO demande au public s’il pourrait fournir d’autres photos du phénomène depuis 2018. Des images récentes montrent une cavité à la source de la cascade qui pourrait être l’ouverture d’un tunnel de lave.
La poche d’eau qui donne naissance à la cascade est l’une des deux qui existaient avant 2018. L’autre a formé une mare d’eau chaude à la surface de la caldeira, à 500 mètres au nord de l’Halema’uma’u avant l’effondrement du cratère en 2018. Une végétation abondante entourait cette mare et des micro-organismes vivaient dans l’eau. La mare s’est vidée lors de l’effondrement de l’Halema’uma’u en 2018, bien que son emplacement reste visible aujourd’hui grâce à la présence de végétation. Tandis que le cratère s’agrandissait en juin et juillet 2018, un panache de vapeur blanche s’élevait généralement au-dessus de sa partie nord-ouest, ce qui contrastait avec les panaches de poussière sombre qui envahissaient la majeure partie de l’Halema’uma’u. Il se peut que le panache de vapeur blanche ait été généré par l’ébullition de l’eau dans l’aquifère peu profond qui alimentait la mare.

Les scientifiques du HVO se demandent aujourd’hui s’il existe d’autres poches d’eau peu profondes sous le plancher de la caldeira. Il y a davantage de précipitations sur la partie nord de la caldeira que sur la partie sud. On sait que plusieurs cavités existent sous le plancher nord de la caldeira; elles émettent de la vapeur à haute température. Cette chaleur provient probablement des coulées de lave et de lacs de lave solidifiés qui existaient dans cette zone au 19ème siècle et au début du 20ème et dont la chaleur vaporise l’eau des précipitations. Cette vapeur persiste même par temps sec.

Les scientifiques du HVO aimeraient savoir s’il existe une poche d’eau plus profonde dans la zone sommitale du Kilauea. En effet, si c’est le cas, elle pourrait provoquer des explosions phréatiques au sommet du volcan.
Source: USGS / HVO.

————————————————–

On July 4th, 2018, a HVO scientist at the Volcano House Hotel took a photo showing a dark line descending the wall of Kilauea caldera above Halema’uma’u. (see the photo below). Not knowing what it was, he dubbed it the ‘black streak.’

HVO geologists said there were two possibilities: the streak could be a recent rockfall scar cutting across the dusty slope. Or the streak was made by water.

Over the next few days, the black streak came and went. Finally, observations showed that the streak stayed black during a time when a lot of dust was billowing from Halema’uma’u. This was proof positive that it was made by water, not a rockfall.

The water flowed from a point 10–20 metres below the rim of the caldera, high above the groundwater body that today feeds the deepening lake seen at the bottom of the crater (see my previous posts). The question was to know how water could be so high in this area.

During exceptionally heavy downpours, a river flows for an hour or so across the ground surface between the south end of Uekahuna Bluff and SW Rift, over a distance of 600–800 metres. This river is several metres wide and a few tens of centimetres deep. This flowing river always ends before reaching SW Rift, sinking into alluvial sand.

The other questions were to know 1) where this water went, and 2) if it was the water that formed the above mentioned black streak. HVO geologists thought the answer was yes. Beyond where it disappears, the river water probably flows underground but is dammed by dikes beneath the SW Rift area, forming a shallow perched aquifer. Faulting of the caldera wall during the 2018 summit collapse opened a pathway for this stored water to exit the aquifer and pour into the caldera.

The black streak, or water cascade, has reappeared sporadically in the past two years and HVO asks the public if they could get more photos of the phenomenon since 2018. Recent images show a cavity at the head of one cascade. It could be the opening of a lava tube.

The perched water body responsible for the water cascade is one of two such bodies existing before 2018. The other formed a tiny warm pond on the caldera floor 500 metres north of Halema’uma’u before it enlarged in 2018. Lush vegetation surrounded the pond, and microorganisms lived in the water. The tiny pond drained as Halema’uma’u widened in 2018, though its site, marked by vegetation, remains. As the crater expanded in June and July, a white steam plume generally rose above the northwestern part of the crater, contrasting with the dusty brown clouds that engulfed most of the crater. The plume might have been generated by boiling of water in the same shallow aquifer that supported the pond.

HVO scientists wonder whether other shallow water bodies exist unseen beneath the caldera floor. More rain falls on the northern part of the caldera than on the southern. Several caves are known to exist below the northern caldera floor; they emit steam and are very hot. Most likely the heat comes from solidified lava flows and lakes active in this area in the 19th and early 20th centuries, and it heats rainfall to steam. The steam persists even in dry weather. HVO scientists would like to know if there is a deeper water body in the summit area of Kilauea. Indeed, if such shallow water existed, it could trigger phreatic explosions at the summit of the volcano.

Source: USGS / HVO.

Vue de la “traînee noire” sur la paroi de la caldeira. Elle mesure une cinquantaine de mètres et un panache de vapeur (en bas à droite) s’élève de la partie NO de l’Halema’uma’u. La photo a été prise depuis la Volcano House le 4 juillet 2018. La configuration des lieux a beaucoup changé depuis cette date. (Source : USGS).

Mesure et analyse des gaz sur le Kilauea (Hawaii) // Measurement and analysis of gases on Kilauea Volcano (Hawaii)

Après les géodésistes, l’Observatoire des Volcans d’Hawaii(HVO) explique le rôle joué par les géochimistes dans l’analyse du comportement du Kilauea.
Les gaz donnent des indications précieuses sur les processus volcaniques, même quand le volcan n’est pas en éruption. Les ratios de gaz émis, comme le dioxyde de carbone (CO2) et le dioxyde de soufre (SO2), peuvent renseigner les scientifiques sur la profondeur à laquelle se trouve le magma. La quantité de SO2 émise par le volcan reflète également la quantité de magma ou de lave en cours de dégazage.
Les géochimistes du HVO utilisent diverses méthodes pour contrôler les émissions de gaz du Mauna Loa et du Kilauea, avec des mesures directes et des techniques à distance. L’une des mesures les plus fréquentes concerne les émissions de SO2, afin de savoir combien de tonnes sont émises par jour. Pour cela, les géochimistes se rendent sous le panache de gaz avec un spectromètre ultraviolet. Le SO2 absorbe la lumière ultraviolette, donc lorsqu’il y a une plus grande quantité de SO2 dans le panache éruptif, une plus faible quantité de lumière ultraviolette atteint le spectromètre. Ces mesures sont actuellement effectuées toutes les 2 à 4 semaines. Par contre, pendant l’éruption de 2018, elles étaient effectuées au minimum tous les deux jours. Lorsque le lac de lave s’agitait au sommet de Kilauea, le HVO avait un réseau de spectromètres qui calculait les émissions de SO2 toutes les quelques secondes.
Les géochimistes s’appuient également sur le rapport entre le CO2 et le SO2. Les rapports de quantités de ces gaz donnent des informations sur la profondeur à laquelle se trouve le magma. Le CO2 n’absorbe pas la lumière ultraviolette comme le SO2 ; les scientifiques mesurent donc directement le CO2. Pour ce faire, ils utilisent des capteurs placés directement dans le panache de gaz volcanique. Par exemple, le capteur «MultiGas» pompe le gaz et détermine les concentrations de CO2, SO2, H2S et de vapeur d’eau. Le travail consiste ensuite à calculer leurs ratios et à contrôler les fluctuations qui pourraient indiquer une augmentation du magma dans le volcan.
Il existe trois types de capteurs MultiGas au HVO: 1) des stations permanentes sur le Kilauea et le Mauna Loa qui envoient des données au HVO en temps réel: 2) un MultiGas portable, de la taille d’une grande mallette qui permet de contrôler la chimie des gaz dans de nombreux endroits; 3) un MultiGas miniaturisé monté sur un drone pour mesurer le gaz dans des sites dangereux ou inaccessibles.
Il y a d’autres gaz présents en faibles quantités dans les panaches volcaniques. Eux aussi peuvent fournir des informations préciueses sur le comportement d’un volcan. Pour mesurer ces gaz mineurs tels que le chlore, le fluor et l’hélium, les géochimistes utilisent des méthodes à distance et sur le terrain.
De nombreux gaz volcaniques absorbent le rayonnement infrarouge ; en conséquence, pendant les éruptions, le HVO peut utiliser la télédétection de l’énergie infrarouge émise par la lave. Un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) détecte différentes longueurs d’onde infrarouge et mesure leur absorption par de nombreux gaz simultanément. Cela fournit de nombreux ratios de gaz qui aident à comprendre les processus de dégazage lors des éruptions.
Une autre façon de mesurer plusieurs gaz volcaniques à la fois est de les collecter dans une bouteille de l’envoyer au laboratoire pour analyse. Pour cela, les scientifiques utilisent une bouteille spéciale [NDLR : avec le vide à l’intérieur] équipée s »un tube que l’on introduit dans une fumerolle. Ce type d’échantillonnage est actuellement effectué une fois tous les trois mois au niveau des Sulphur Banks dans le Parc National des Volcans d’Hawaï pour contrôler sur le long terme l’évolution de la chimie du gaz.
Ce travail suppose l’utilisation d’un grand nombre d’instruments. C’est pour ce la que l’équipe de géochimistes travaille en étroite collaboration avec les techniciens du HVO et les informaticiens pour s’assurer que tout  cetéquipement fonctionne correctement.
Source: USGS / HVO.

———————————————

After the geodesists, the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) esplians the part played by geochemists in analysing the behaviour of Kilauea Volcano.

Volcanic gases give clues about volcanic processes, even when no lava is erupting. Ratios of escaped gases like carbon dioxide (CO2) and sulphur dioxide (SO2) can tell scientists about magma depth. The total amount of SO2 released also reflects the amount of magma or lava that is degassing.

HVO geochemists use a variety of methods to track gas emissions from Mauna Loa and Kilauea, including direct measurements and remote techniques. One of the most frequent measurements is the SO2 emission rate, in order to know how many tonnes are emitted per day. For this, geochemists drive or walk under the gas plume with an ultraviolet spectrometer. SO2 absorbs ultraviolet light, so when more SO2 is present overhead, less ultraviolet light reaches the spectrometer. These measurements are currently made once every 2-4 weeks, whereas during the 2018 eruption, they were made at least every other day. When Kīlauea’s summit lava lake was present, HVO had a network of spectrometers that calculated the SO2 emission rate every few seconds.

Another measurement geochemists rely on is the ratio of CO2 to SO2. The relative amounts of those gases give information about the depth of magma. CO2 does not absorb ultraviolet light like SO2, so scientists measure CO2 directly. To do this, they use sensors placed right in the volcanic gas. For instance, an instrument called “MultiGas” pumps in gas and determines concentrations of CO2, SO2, H2S and water vapour. The job is then to calculate their ratios and track changes that might indicate magma rising within the volcano.

There are three types of MultiGas at HVO: 1) permanent stations on Kilauea and Mauna Loa that send data to HVO in real-time: 2) a portable MultiGas, which is the size of a large briefcase and allows to check gas chemistry in many places; 3) a miniaturized MultiGas mounted on a drone to measure gas in hazardous or inaccessible sites.

There are additional gases in volcanic plumes that are not present in large amounts but still provide information about volcanic behaviour. To measure those minor gases, including chlorine, fluorine, and helium, geochemists use remote and direct methods.

Many volcanic gases absorb infrared radiation, so during eruptions HVO can use remote sensing of infrared energy emitted by lava. A Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer detects different wavelengths of infrared and measures absorption by numerous gases simultaneously. This provides many gas ratios that help to understand degassing processes during eruptions.

Another way to measure multiple volcanic gases at once is to collect a bottle of gas and send it to the lab for chemical analysis. For this, scientists use a special glass bottle with tubing inserted into a fumarole. This kind of sampling is currently done once every three months at Sulphur Banks in Hawaii Volcanoes National Park to track long-term changes in gas chemistry.

That’s a lot of instrumentation, so the gas geochemistry team works closely with HVO technicians and IT specialists to make sure that all the equipment functions properly.

Source: USGS / HVO.

Panache de gaz au-dessus du lac de lave du Kilauea

Sulphur Banks, dans le Parc des Volcans d’Hawaii

(Photos: C. GRandpey)

 

La géodésie en volcanologie // Geodesy in volcanology

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

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

———————————————

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Source : USGS / HVO.

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

Collaboration entre observatoires aux Etats-Unis // Collaboration between observatories in the United States

Les observatoires volcanologiques à travers les États-Unis fonctionnent en étroite relation les uns avec les autres pour assurer une surveillance efficace des volcans actifs de ce pays. Cette collaboration est particulièrement évidente lors d’une crise, comme ce fut le cas au moment de l’éruption du Kilauea en 2018. Cette année-là, des scientifiques, des ingénieurs et des administratifs du Volcano Science Center de l’USGS se sont rendus sur la Grande Ile d’Hawaï pour épauler le HVO, l’observatoire des volcans d’Hawaï, et aider les volcanologues locaux à surveiller les coulées de lave et les effondrements qui se produisaient au sommet du Kilauea. Leur aide fut essentielle au bon fonctionnement du HVO 24 heures sur 24, 7 jours sur 7.
La collaboration entre les observatoires volcanologiques existe également quand il n’y a pas de crise éruptive majeure. Certains observatoires tels que l’Alaska Volcano Observatory (AVO) doivent effectuer toutes les missions sur le terrain en été car les conditions météorologiques sont difficiles et les conditions de travail dangereuses le reste de l’année. Comme la saison estivale est courte en Alaska, il est important de faire appel à l’aide temporaire d’autres États.
L’AVO a beaucoup de travail à effectuer au cours de la saison estivale. Le soleil est presque en permanence dans le ciel et les heures de clarté sont pleinement utilisées lorsque le temps le permet. L’aide d’autres observatoires permet aux équipes de terrain d’être renouvelées tous les mois afin d’éviter l’épuisement professionnel.

Comme il y a peu à faire en ce moment à Hawaii depuis la fin de l’éruption du Kilauea, plusieurs géologues du HVO se sont rendus en Alaska cet été pour aider à la mise en place de nouveaux sites de surveillance sismique et la mise à niveau d’instruments plus anciens sur les volcans des Aléoutiennes. Cela fait partie d’une campagne entreprise par l’AVO pour convertir l’ensemble de son réseau sismique analogique en un réseau entièrement numérique. Un tel travail est important car les instruments numériques peuvent détecter une gamme plus large de signaux sismiques. Le HVO est passé à un réseau numérique de 2014 à 2017.
Dans les Aléoutiennes, la mission a débuté à Adak, une île située à environ 1 700 kilomètres au sud-ouest d’Anchorage. L’île, qui abritait une base militaire de 1942 à 1997, est très paisible maintenant que la plupart des installations ont été abandonnées. Adak a servi de base aux opérations scientifiques. En effet, c’est un point central où les stations les plus éloignées sont raccordées au réseau de surveillance des volcans de l’Alaska.
A partir d’Adak, les scientifiques ont voyagé à bord d’un navire de recherche qui les a conduits à travers la Mer de Béring afin de visiter différents volcans. Une fois un volcan atteint, le capitaine jetait l’ancre dans un port bien protégé des tempêtes parfois très violentes qui surviennent dans les Aléoutiennes. À partir de là, les scientifiques ont pris l’hélicoptère embarqué sur le navire pour visiter les différents sites.
Les conditions météorologiques sont souvent difficiles dans les Aléoutiennes, ce qui rend la surveillance des volcans d’autant plus délicate. Un scientifique explique qu’il y avait un épais brouillard presque tous les matins. À chaque fois que le pilote de l’hélicoptère estimait qu’une fenêtre était utilisable, les hommes chargeaient le matériel et décollaient.
Une fois sur un volcan, les scientifiques se mettaient au travail. Il fallait d’abord installer un local de protection du matériel et creuser un trou de 2 mètres de profondeur pour y loger le sismomètre. Des panneaux solaires étaient ensuite installés sur le local avec à l’intérieur 15 batteries de 12 volts pour alimenter l’électronique qui numérise les signaux du sismomètre et envoie les données à Adak par radio. Le travail a toujours été une course contre le soleil, tout en luttant contre les conditions météorologiques en constante évolution.
Les hommes expliquent que le travail fut difficile mais enrichissant. La cohabitation permanente, l’élaboration de stratégies pour faire face aux éléments et le travail en équipe sur un volcan loin de tout ont permis de créer des liens solides entre le HVO et l’AVO. Cet état d’esprit se prolongera bien au-delà du travail sur le terrain dans les îles Aléoutiennes.
Source: USGS / HVO.

—————————————————

Volcano observatories across the United States work together to ensure efficient and thorough monitoring of the nation’s active volcanoes. This collaboration is particularly evident during a crisis, like the 2018 eruption of Kilauea Volcano. In 2018, scientists, field engineers, and administrative professionals from across the US Geological Survey Volcano Science Center came to the Island of Hawaii to assist the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) in monitoring Kilauea’s Lower East Rift Zone (LERZ) lava flows and summit collapses. Their assistance was critical to maintaining HVO’s 24/7 response capability.

Collaboration between volcano observatories also occurs in non-crisis times. Some volcano observatories, such as the Alaska Volcano Observatory (AVO) must accomplish all field work in the summer because other times of the year can bring harsh weather and dangerous working conditions. Since the summer field season in Alaska is short, it is important to use temporary help from other states.

The field season for AVO staff is intense. The sun is almost always up, and the daylight hours are fully used when weather permits. Help from other volcano observatories allows field teams to be rotated every month to avoid burn-out.

As there is little to do in Hawaii with the end of the Kilauea eruption, several HVO staff travelled to Alaska this summer to help build new, and upgrade old, seismic monitoring sites on western Aleutian volcanoes. This is part of a big step that AVO is taking to convert their entire seismic network from an analog to an all-digital network. This is important because digital instruments can detect a wider range of earthquake signals. HVO made the transition to a digital network in 2014 to 2017.

The mission began on Adak, an island about 1,700 kilometres SW from Anchorage. The island, home to a military base from 1942 to 1997, is very peaceful now that most of the facilities have been abandoned. Adak was the base of operations, a central place where more-remote field stations tie into the Alaska volcano monitoring network.

From Adak, the scientists boarded a research vessel which took them across the Bering Sea in order to visit different volcanoes. Once the targeted volcano was reached, the captain dropped anchor in a harbour that would be mostly protected from potentially fierce Aleutian storms. From there, the scientists flew in the onboard helicopter to go back and forth from the ship to the different field sites.

Weather conditions are often difficult in the Aleutians, which makes the monitoring of the volcanoes all the more difficult. The scientific team explains that they were shrouded in fog nearly every morning. Whenever the helicopter pilot deemed that a safe window of opportunity had arrived, they loaded up and took off.

Once the geologists landed on a volcano, the real work began. They dug a foundation for the equipment hut and a 2-metre-deep hole where the seismometer would reside. Solar panels were mounted on the hut, which housed 15 12-volt batteries to power the electronics that digitizes signals from the seismometer and sends data back to Adak via radio. The work was always a race against the sun, while battling the ever-changing weather conditions.

The men explain that the work was difficult but rewarding. Living in close quarters, continuously strategizing to overcome the elements, and working as a team on a remote volcano, led to a bond between HVO and AVO that will last beyond the Aleutian field work.

Source : USGS / HVO.

Le Cleveland, le Semisopochnoi  ou le Veniaminof comptent parmi les volcans les plus actifs des Aléoutiennes, sans oublier l’Augustine… (Photos : AVO et C. Grandpey)

Comment lire un sismogramme du HVO (Hawaii) // How to read a HVO seismogram (Hawaii)

L’Observatoire des Volcans d’Hawaii, le HVO, exploite un réseau de stations de surveillance sismique sur la Grande Ile d’Hawaï et dans tout l’État. Le personnel du HVO recueille les données en temps réel à partir de nombreuses stations grâce à un logiciel de traitement informatique permettant de détecter, localiser et publier des informations sur les séismes survenus à Hawaii. Contrairement à ce qui se passe sur les volcans français, toutes les données sismiques sont librement accessibles au public.
La page consacrée aux séismes sur le site web du HVO (https://volcanoes.usgs.gov/observatories/hvo/) indique les emplacements des derniers séismes et on peut voir les stations de surveillance sur une carte (voir ci-dessous) où elles sont symbolisées par des triangles rouges.
Si vous cliquez sur le symbole d’une station particulière sur la carte, une fenêtre va apparaître avec l’affichage de quatre panneaux de webicorders (enregistreurs sismiques) pour des durées de 6 heures, 12 heures, 24 heures et 48 heures. Vous pouvez cliquer sur chaque période pour agrandir le webicorder.
Les tracés séismiques visibles sur les webicorders sont les versions numériques des vieux enregistreurs à tambour en papier utilisés au cours des dernières décennies. Chaque ligne correspond à un enregistrement sismique de 15 minutes, en partant du coin supérieur gauche, la dernière heure étant affichée en bas à droite. Ainsi, on lit un webicorder comme un livre, de gauche à droite et de haut en bas. L’heure de début de chaque ligne est affichée en heure locale (Heure de l’Etat d’Hawaii, ou HST) à gauche, et l’heure de fin de chaque ligne en temps universel (UTC) à droite.
Les données sismiques sont indiquées en bleu sur les webicorders, avec une alternance de tons bleu foncé et bleu clair pour chaque plage de 15 minutes. Les lignes bleues imitent le mouvement du sol sous le capteur sismique: la ligne monte si le sol se déplace vers le haut, la ligne descend si le sol se déplace vers le bas, et la ligne serait droite au niveau «zéro» si aucun mouvement du sol n’est détecté. Plus l’amplitude du mouvement du sol est élevée, plus la ligne bleue est haute. Ce qui est immédiatement évident, c’est que le sol monte et descend toujours très légèrement.
Les instruments sismiques sont très sensibles et enregistrent tout ce qui secoue le sol. Ils peuvent même enregistrer le vent, le tonnerre, la foudre, les vagues de l’océan qui viennent se briser contre l’île, ainsi que des séismes bien localisés dus aux chutes de pierres, aux tirs de mines dans des carrières ou à d’autres explosions.
Les séismes apparaissent sous forme de taches bleues. Chacune a certaines caractéristiques bien reconnaissables, notamment les ondes P (primaires) et S (secondaires ou de cisaillement), qui peuvent avoir un début net avant de décroître pour retrouver leur niveau de base. Une plus grande séparation entre les ondes P et S indique une distance croissante entre la station sismique et le séisme. D’autres types de séismes, par exemple ceux dus au mouvement de magma ou de gaz, ont une apparence différente, généralement avec une période d’énergie plus longue pouvant persister sur de plus longues périodes.
Source: USGS / HVO.

——————————————–

The Hawaiian Volcano Observatory (HVO) operates a network of seismic monitoring stations on the Island of Hawaii and throughout the state. The HVO staff collects real-time data from numerous stations using computer processing software to detect, locate, and publish information about earthquakes that are recorded in Hawaii. Contrary to what happens on French volcanoes, all seismic data are freely available to the public.
The earthquake page on the HVO website (https://volcanoes.usgs.gov/observatories/hvo/) shows recent earthquake locations and the monitoring stations can be seen on a map (see below) where they are symbolised by red triangles.
Clicking on a particular station symbol on the map will reveal a pop-up window that shows four panels of webicorders, for timespans of 6 hours, 12 hours, 24 hours, and 48 hours. You can click on each timespan to enlarge the webicorder.
The seismic webicorder plots are digital versions of the paper seismic drum recorders used in past decades. Each line shows the seismic record for 15 minutes, starting from the upper left, with the latest time in the bottom right. Thus, you read a webicorder like a book, from left to right and top to bottom. The start time of each line is shown in local time (Hawai‘i Standard Time, or HST) on the left, and the end time of each line is shown in Coordinated Universal Time (UTC) on the right.
Seismic data are shown in blue on webicorder plots, with each 15-minute span alternating between dark- and light-blue tones. The blue lines mimic ground motion under the seismic sensor: the line moves up if the ground shifts upwards, the line moves down if the ground moves downwards, and the line would be flat at “zero” if no ground motion is detected. The higher the amplitude of the ground motion, the taller the blue line will be. What is immediately apparent is that the ground is always moving up and down ever so slightly.
Seismic instruments are very sensitive and record anything that shakes the ground. So, wiggles on webicorder plots could be a record of wind, thunder, lightning, ocean waves crashing against the island, as well as of localized shaking from rockfalls, quarry blasts, or other explosions.
Earthquakes appear as blue smudges. Each has certain recognizable characteristics, including P- (primary) and S- (secondary or shear) waves, which may have a sharp onset and then decay to background level. Greater separation between P and S waves indicate increasing distance from the seismic station to the earthquake. Other types of earthquakes, for example those due to the movement of magma or gas, look different, generally with longer period energy that can persist over longer time frames.
Source: USGS / HVO.

Source: USGS / HVO

Capture d’écran d’un webicorder du HVO montrant 24 heures d’enregistrement par une station sismique sur le flanc sud du Mauna Loa. On distingue plusieurs séismes , ainsi que le bruit généré par le vent. (Source: USGS / HVO)

Les anciens sismos à tambour font maintenant figure de pièces de musée (Photo: C. Grandpey)

Le HVO sur l’île d’Oahu (Hawaii)? // HVO on Oahu Island (Hawaii)?

Des rumeurs circulent depuis quelque temps sur un possible transfert de l’Observatoire Volcanologique des Volcans d’Hawaii (le célèbre HVO) de Big Island vers l’île d’Oahu. Pour ceux qui, comme moi, connaissent et ont visité le HVO, une telle décision semble une erreur. L’Observatoire domine la caldeira du Kilauea depuis plus d’un siècle et offre une vue imprenable sur le cratère de l’Halema’uma’u. Grâce à cette position privilégiée, les scientifiques ont pu, au cours des dernières années, observer le comportement du lac de lave dans l’Overlook Crater.
Le HVO a confirmé la semaine dernière qu’Oahu était l’une des options envisagées pour implanter une nouvelle structure Cette relocalisation aurait lieu en raison des lourds dégâts subis par l’Observatoire lors de la dernière éruption du Kilauea. L’intense activité sismique a rendu le bâtiment inhabitable.
Une autre option que l’île d’Oahu consisterait à installer l’Observatoire à l’intérieur du Parc National des Volcans d’Hawaii, ou bien sur le campus de l’Université d’Hawaï à Hilo. Il est bien évident que la première solution serait la plus adaptée.
Le responsable de la Protection Civile du comté d’Hawaï pense, lui aussi, que l’Observatoire doit rester sur la Grande Ile pour « contrôler toute activité liée à la lave ». Janet Babb, porte-parole du HVO, a déclaré qu’elle ne pouvait commenter l’éventualité d’un déménagement, car des discussions sont en cours à Washington, DC. Le HVO est géré par l’USGS, qui dépend du Département de l’Intérieur aux États-Unis.
Le transfert du HVO à Oahu serait justifié par le fait qu’il existe déjà des installations fédérales sur cette île. OK, mais ce serait vraiment très loin de toute activité volcanique sur la Grande Ile. Affaire à suivre. Je tiendrai au courant de l’évolution de la situation.
Source: Journaux américains.

————————————————-

There have been rumours for some time about a possible relocation of the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) from Hawaii Big Island to Oahu. For those who, like me, have visited HVO, such a decision would be a mistake. The Observatory has been located at the Kilauea caldera rim for more than a century and offers a great view on Halema’uma’u Crater. For several years, scientists could observe the behaviour of the lava lake in the Overlook Crater. .

The Observatory confirmed last week that Oahu is one option under consideration for a new home. The reason for the relocation is the heavy damage undergone by HVO during Kilauea’s last eruption. The intense seismic activity has made the structure uninhabitable.

Other options than Oahu include a new site within the National Park or on the University of Hawaii at Hilo campus.

The head of Hawaii County Civil Defence thinks that the Observatory needs to stay on the island “to help with the response to any lava activity”. I do think he is perfectly right. Observatory spokeswoman Janet Babb said she can’t comment on the likelihood of a move because discussions are ongoing in Washington, D.C. The observatory falls under the U.S. Geological Survey, which is part of the U.S. Department of Interior.

A potential move to Oahu as a preferred option would be justified by the fact there are existing federal facilities. OK, but it would be very far from any volcanic activity on the Big Island. I will keep informed about the evolution of the situation.

Source: U.S. newspapers.

Le bâtiment du HVO offrait une vue imprenable sur la caldeira d Kilauea (Photos: C. Grandpey)