Étiquette : HVO

L’esprit d’innovation en volcanologie // Volcanology requires an innovative spirit

Tous les volcanologues savent qu’il faut être inventif lorsque l’on travaille sur le terrain. Je me souviens de l’ »autocuiseur » mis au point par le regretté François Le Guern pour prélever et analyser des gaz sur l’Etna. Personnellement, j’ai conçu une gaine de cuivre spéciale pour protéger la sonde de mon thermomètre lors des mesures de températures au milieu de gaz agressifs sur l’île de Vulcano en Sicile.
Un article écrit par des scientifiques de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) explique qu’ils continuent une longue tradition d’innovation – débutée avec la naissance du HVO en 1912 – en ce qui concerne les outils utilisés pour surveiller l’activité des volcans de l’archipel. Les géologues créent continuellement des équipements et des méthodes afin de s’adapter aux conditions changeantes et profiter des nouvelles technologies.
Par exemple, une innovation récente a été motivée par un tiltmètre défectueux logé à l’intérieur d’un trou de forage sur le flanc ouest du Mauna Loa. Le tiltmètre, qui a été installé il y a 17 ans, fonctionnait parfaitement jusqu’au jour où il a rendu l’âme. Il fait partie d’un réseau d’instruments logés en profondeur sur le Mauna Loa, avec des sismomètres, des tiltmètres et des jauges de contraintes. Ces instruments extrêmement sensibles sont logés dans des trous de forage de plus de 15 mètres de profondeur pour les protéger des effets de la température, des précipitations et des fluctuations de la pression atmosphérique susceptibles de causer des signaux parasites.
Le tiltmètre proprement dit est un tube en métal d’un mètre de long et 5 centimètres de diamètre qui contient des capteurs électrolytiques de précision capables de détecter les moindres variations d’inclinaison dans deux directions perpendiculaires. Il peut mesurer des inclinaisons inférieures à un microradian, ce qui est à peu près  la pente créée en mettant une pièce d’un centime d’euro sous l’extrémité d’une tige d’un kilomètre de long!
La difficulté consiste à faire descendre ce tube à une quinzaine de mètres dans un trou de 10 centimètres de diamètre avec un tas de câbles qui serpentent déjà à l’intérieur. Il faut positionner le tiltmètre de telle manière qu’il reste debout sans reposer sur aucun de ces câbles, ni sur les côtés du trou pendant que l’on verse du sable pour le maintenir en place. Qui plus est, il faut orienter le tiltmètre pour que ses capteurs soient alignés dans le sens nord-sud et est-ouest. Tout cela demande une bonne dose de technique !

Le HVO a trouvé une solution pour faciliter ce travail complexe. Il s’agit d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) qui a permis de concevoir une gaine qui entoure le tiltmètre tout en mettant à l’écart tous les câbles pendant que l’instrument est descendu dans le trou de forage. Cette gaine a été fabriquée à l’aide d’une imprimante 3-D qui a déposé, l’une après l’autre, plusieurs couches de thermoplastique pour réaliser un objet solide adapté à la tâche à effectuer.

Un autre appareil spécialement conçu, équipé d’une lumière et d’une caméra vidéo, maintient le tiltmètre et donne une vue en temps réel de la descente du tiltmètre à l’intérieur du trou de forage jusqu’à son positionnement final. L’installation a été couronnée de succès et le nouveau tiltmètre enregistre fidèlement les mouvements du sol sur le flanc ouest du Mauna Loa. Ces données sont envoyées au HVO via des liens radio afin que l’observatoire les reçoive en moins d’une minute. La finalité est que ce multimètre puisse alerter le plus tôt possible l’observatoire en cas d’ascension rapide du magma vers la surface, ce qui annoncerait une éruption imminente du Mauna Loa.
Source: USGS / HVO.

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All volcanologists know they have to be inventive when they are working on the field. I can remember the late François Le Guern “pressure cooker” to collect gases on Mt Etna. Personally, I devised a special copper sheath to protect the probe of my thermometer to measure temperatures on the island of Vulcano, amidst aggressive gases.

A weekly article written by scientists at the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explains that they have a long tradition of innovation when it comes to the tools that they use to monitor the status and activity of volcanoes. The tradition that started with HVO’s birth in 1912 continues to this day, with geologists continually adapting and creating equipment and methods in response to changing conditions and to take advantage of new technologies.

For example, a recent innovation was caused by a malfunctioning tiltmeter in a deep borehole on the west flank of Mauna Loa Volcano. The tiltmeter, which was originally installed 17 years ago, was fully operational before giving up. This instrument is part of a network of several deep sites on Mauna Loa that include seismometers, tiltmeters and strainmeters. These extremely sensitive instruments are housed in boreholes more than 15 metres deep to help isolate them from the effects of temperature, rainfall, and atmospheric pressure fluctuations, all of which can cause spurious signals.

The tiltmeter itself is a metal tube, one metre long and 5 centimetres in diameter, which contains precision electrolytic sensors that detect tiny tilt variations in two perpendicular directions. It can measure tilts smaller than one microradian, which is about the same as the slope created by putting a one-cent coin under one end of a board that is one kilometre long!

The difficulty lies with lowering that tube about 15 metres into a 10-centimetre diameter hole that also has a bunch of cables snaking up through it. You also have to position the tiltmeter so that it stays upright and does not rest on any of those cables or the sides of the hole while you pour sand to keep it in place. At that, you must orient the tiltmeter so that its sensors are aligned to north-south and east-west directions. This demands good engineering.

The solution HVO’s technical crew adopted was to use computer assisted drawing (CAD) software to design a specialized jig that sits around the tiltmeter and gently channels all the cables out of the way while the instrument is lowered into the borehole. The jig was manufactured using a 3-D printer, which put down layer after layer of thermoplastic to build a solid object with customized specifications.

Another specially built apparatus holds the jig, the tiltmeter, a light, and a video camera that provides a real-time view of the tiltmeter’s descent as it is lowered into the borehole and positioned at the bottom. The installation was successful, and the new tiltmeter is now faithfully recording ground tilt on the west flank of Mauna Loa. These data are sent back to HVO via radio links so that the observatory receives them in less than a minute. The finality is that this tiltmeter helps provide the earliest possible warning of rapid magma movement toward the surface, which would signal an impending Mauna Loa eruption.

Source: USGS / HVO.

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

 

Modernisation du réseau sismique sur le Kilauea (Hawaii) // Upgrading of Kilauea’s seismic network (Hawaii)

Grâce à plusieurs années de travail, les techniciens du HVO ont récemment terminé la modernisation des stations sismiques au sommet du Kilauea. À partir de 2014, chacune de ces stations a été progressivement remise à niveau avec un sismomètre large bande de nouvelle génération, des panneaux  solaires, une radio, une antenne, un caisson de protection et un nouveau câblage. Les nouveaux caissons sont conçus avec de meilleures propriétés d’isolation afin de mieux supporter les variations de température tout au long de la journée. L’équipement est dissimulé pour minimiser son impact visuel sur l’environnement naturel. La modernisation du réseau sismique représente une étape importante pour le HVO. Elle permettra de mieux comprendre l’alimentation magmatique complexe sous le sommet du volcan.
Les premiers sismomètres gérés par le HVO ont été installés en 1994. Il était prévu qu’ils restent en place pendant un an. Il s’agissait de sismomètres « large bande », autrement dit des capteurs numériques plus sensibles sur une gamme de fréquences beaucoup plus élevée que les anciens sismomètres analogiques à courte période qui étaient les plus utilisés jusqu’à cette époque. Malgré tout, les sismos large bande de 1994 ont été conservés au-delà de la période d’essai d’un an car ils se sont montrés très utiles pour l’enregistrement de nombreux types de séismes et de signaux volcaniques que les scientifiques ont pu analyser en utilisant de nouvelles techniques.
La fréquence revient à décrire le nombre d’oscillations contenues dans un signal sismique. Elle est généralement mesurée en cycles par seconde, ou Hertz (Hz). En volcanologie, la fréquence dominante d’un signal sismique est liée à différents processus à l’intérieur du volcan. Par exemple, les ondes haute fréquence (supérieures à 1 Hz) enregistrées pour les séismes classiques sont généralement liées à un glissement sur une faille. Les ondes basse fréquence (moins de 1 Hz) sont souvent liées au mouvement du magma ou des fluides et des gaz qui s’échappent par des fractures. Les sismomètres large bande fournissent des enregistrements complets des ondes à haute et basse fréquence en provenance du volcan. Les sismomètres courte période les plus répandus sont calibrés pour enregistrer uniquement les ondes haute fréquence.
Le mouvement du magma sous le Kilauea génère une variété de séismes basse fréquence (souvent appelés Long-Period-LP) et Very Long Period (VLP) avec des fréquences de pointe de 0,17 Hz ou 60 secondes. Ces derniers séismes, qui ne peuvent être détectés qu’avec des sismomètres large bande, étaient pratiquement absents du réseau sismique existant. La nécessité d’un bon réseau large bande est devenue évidente au début de l’éruption sommitale de l’Halema’uma’u en 2008.
En 2009, l’American Recovery and Reinvestment Act (ARRA), un plan de relance économique aux Etats Unis, a permis au HVO de recueillir des fonds pour transformer le réseau mixte de surveillance – analogique et numérique – en un réseau entièrement numérique, le premier pour un observatoire volcanologique américain. Avec le financement de l’ARRA, le HVO a acheté de nouveaux ordinateurs de terrain qui enregistrent des signaux sismiques sur place, et des radios numériques pour transmettre les données en temps réel au HVO. Les derniers ordinateurs ont considérablement élargi la gamme dynamique utile de l’ancien réseau large bande. Cette capacité supplémentaire est importante pour caractériser le mécanisme qui génère des signaux sismiques associés à des effondrements dans le lac de lave sommital. Les scientifiques utilisent également les signaux sismiques pour développer des modèles de hausse et de baisse de la surface du lac de lave liées à l’accumulation et à la libération des gaz dans sa partie supérieure.
On s’est rendu compte en 2011 que les conditions environnementales adverses dans la caldeira sommitale du Kilauea posaient des problèmes aux sismomètres vieillissants. Les instruments étaient victimes de la corrosion à l’intérieur et à l’extérieur, ce qui entraînait des erreurs dans les mesures. Certains capteurs tombaient en panne. C’est pourquoi, à partir de 2014, le HVO a donné la priorité à l’amélioration du réseau large bande au sommet du volcan. Les stations sismiques ont été modernisées par étapes, en fonction de l’arrivée des financements.
Ce nouveau réseau de surveillance sismique est à la pointe de la technologie et offre aux sismologues un outil performant pour étudier les processus qui provoquent la sismicité sur le Kilauea. Il permet également de mieux comprendre le système d’alimentation magmatique du volcan, l’activité éruptive et les dangers qui l’accompagnent.

Source : USGS / HVO.

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HVO field engineers recently completed a multi-year effort to upgrade a subset of seismic stations at the summit of Kilauea Volcano. Starting in 2014, each of the stations was progressively upgraded with a new-generation broadband seismometer, solar-power system, radio, antenna, enclosure, and cabling. The new enclosures for the seismometers are designed with better insulation properties to buffer the effects of changing temperatures throughout the day. The equipment is camouflaged to minimize its visual impact on the natural environment. The latest upgrades are an important milestone for HVO. It will improve the understanding of the complex magma plumbing system beneath volcano’s summit area.

HVO’s original seismometers were installed in 1994 as a year-long field test of “broadband” seismometers, digital sensors that are more sensitive over a much greater frequency range than are the short-period analog seismometers that were widely used at the time. But the 1994 broadband instruments were kept past the one-year test period, because they proved crucial for recording many types of earthquake and volcanic signals that scientists were able to analyze in new ways.

Frequency is one way of describing the number of oscillations of a seismic signal, typically measured in cycles per second, or Hertz (Hz). In volcano seismology, the dominant frequency of a seismic signal is related to different processes within the volcano. For example, high frequency waves (greater than 1 Hz) recorded for normal earthquakes are typically related to slip on a fault. Low frequency waves (less than 1 Hz) for some earthquakes are related to the movement of magma or fluids and gases through fractures. Broadband seismometers provide complete recordings of both high and low frequency waves coming from the volcano. The more commonly used short-period seismometers are tuned to record only high frequency waves.

The movement of magma under Kilauea generates a variety of low-frequency (often called Long-Period – LP) and Very Long Period (VLP) earthquakes with peak frequencies of 0.17 Hz or 60 seconds. The latter earthquakes, which can only be detected with broadband seismometers, were virtually invisible to the existing seismic network. The value of the dense broadband network became even more apparent when the summit eruption within Halema‘uma‘u began in 2008.

In 2009, the American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) provided resources for HVO to convert the mixed analog and digital monitoring network to an all-digital network, a first for a U.S. volcano observatory.With ARRA funding, HVO purchased new field-hardened computers called digitizers to record seismic signals on-site and digital radios to transmit the data in real time to HVO. The digitizers significantly expanded the useful dynamic range of the original broadband network. This added capability was important for characterizing the mechanism that generates seismic signals associated with large rockfalls into the summit lava lake. Scientists also are using the expanded seismic signals to develop models of the short-term rise and fall of the lava lake surface related to the accumulation and release of volcanic gas in the uppermost part of the lava lake.

It became clear in about 2011 that the harsh environmental conditions in Kilauea’s summit caldera were taking a toll on the aging seismometers. The instruments were corroding inside and outside, leading to inconsistent measurements of ground shaking. Some sensors were failing. So, starting in 2014, HVO placed a high priority on improving the summit broadband network, and the stations were upgraded in phases as resources allowed.

This upgraded network reflects state-of-the-art earthquake monitoring, and offers volcano seismologists a more powerful tool to investigate processes that cause ground shaking at Kilauea. This in turn supports advances in the understanding of the volcano’s magma plumbing system, eruptive activity, and hazards.

Source: USGS / HVO.

Les sismos à tambour en vitrine sur le Kilauea montrent aux touristes les frémissements du volcan. Les scientifiques utilisent aujourd’hui des instruments numériques beaucoup plus modernes et performants. (Photo: C. Grandpey)

 

Mesure de la déformation du sol sur le Mauna Loa et le Kilauea (Hawaii) // Measuring ground deformation on Mauna Loa and Kilauea (Hawaii)

La déformation du sol est l’un des paramètres qui permettent de mieux comprendre l’activité volcanique. Il est particulièrement révélateur des modifications de volume du magma à l’intérieur d’un volcan. Par exemple, à Hawaii, les épisodes d’inflation et de déflation du Kilauea coïncident généralement avec le comportement du lac de lave dans le cratère de l’Halema’uma’u. L’élévation de la surface du sol correspond à  une accumulation de magma dans les zones de stockage en profondeur tandis que l’affaissement peut indiquer la vidange d’une poche ou chambre magmatique. Les variations rapides de déformation précèdent ou accompagnent souvent une nouvelle activité éruptive.
Sur la Grande Ile d’Hawaii, on mesure la déformation principalement à l’aide de trois techniques: les tiltmètres, le GPS (Global Positioning System) et l’InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar).
– Une vingtaine de tiltmètres sont actuellement répartis sur les volcans Kilauea et Mauna Loa. Le HVO a mis en place des alarmes automatisées qui informent les scientifiques des variations inclinométriques en temps réel, celles susceptibles d’annoncer une éruption imminente.
– Environ 70 stations GPS sont réparties sur la Grande Île, mais elles se concentrent sur le Kilauea et le Mauna Loa, les deux volcans hawaïens les plus actifs. Ces stations GPS enregistrent continuellement le mouvement de la surface du sol en trois dimensions. Les positions quotidiennes moyennes et précises des sites GPS fournissent une bonne indication sur le long terme de la déformation au sol, et donc du comportement des réservoirs magmatiques.

– L’InSAR est une technique spatiale qui compare les données radar recueillies à partir de satellites à différents moments. Les variations de distance entre le satellite et le sol proviennent des déplacements de la surface entre les passages des satellites. Les données InSAR fournissent des « instantanés » exceptionnellement clairs et précis montrant la déformation du sol, mais seulement lorsque les satellites passent au-dessus de la zone concernée (en moyenne, environ une fois par semaine).
En utilisant cet ensemble de données, les scientifiques du HVO ont pu suivre les variations d’inflation du Kilauea et du Mauna Loa au cours des dernières années.
La chambre magmatique du Mauna Loa a commencé à se remplir – et donc à gonfler – immédiatement après le dernière éruption de 1984. L’inflation a ensuite montré des épisodes de hausse et de baisse au cours des 30 années suivantes. L’épisode d’inflation le plus récent et prolongé du Mauna Loa a commencé en 2014, accompagné d’un nombre conséquent de séismes superficiels.
Le Kilauea a également gonflé ces dernières années. Comme pour le Mauna Loa, l’inflation du Kilauea se produit principalement au niveau d’un système de stockage magmatique situé sous la caldeira sommitale et la partie supérieure de la zone de rift sud-ouest (SWRZ). Mais ce réservoir magmatique est plus circulaire et centré sous la partie sud de la caldeira du Kilauea. Comme je l’ai indiqué précédemment, de petits événements d’inflation et de déflation (DI events) sont enregistrés sur le Kilauea de manière assez fréquente ; ils viennent se superposer à l’inflation globale et entraînent des variations assez spectaculaires du niveau du lac de lave sommital, dans le cratère de l’Halema’uma’u.
Il convient de noter que le HVO a modifié son site Web pour que les visiteurs puissent suivre les variations sur les stations GPS et inclinométriques en quelques clics de souris.
https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/monitoring_deformation.html

Source: USGS / HVO.

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Ground deformation is one of the parameters that help better understand volcanic activity. It is especially indicative of changes in the volume of magma within a volcano For instance, at Hawaii, the inflation and deflation episodes of Kilauea Volcano usually coincide with the behaviour of the lava lake within Halema’uma’u Crater. Uplift of the ground surface suggests accumulation of magma in underground storage areas, while subsidence can indicate magma drainage. Rapid changes in the rate of deformation often precede or accompany new eruptive activity.

On Hawaii Big Island, deformation is measured primarily with three techniques: tiltmeters, GPS (Global Positioning System), and InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar).

– About 20 tiltmeters are currently installed on Kilauea and Mauna Loa volcanoes. The Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has implemented automated alarms that notify scientists of real-time changes in tilt that might reflect the impending onset of an eruption.

– About 70 GPS stations are spread across the Big Island, but are focused on Kilauea and Mauna Loa, currently the two most active Hawaiian volcanoes. These GPS stations continuously record motion of the ground surface in three dimensions. Precise, daily average positions of GPS sites provide an important long-term record of ground deformation that indicates the locations and conditions of magma reservoirs.

– InSAR is a space-based technique that compares radar data collected from satellites at different times. Variations in the distance between the satellite and the ground are caused by surface displacements between the times of the satellite overpasses. InSAR data provide exceptionally clear “snapshots” of deformation, but only when satellites are overhead (on average, about once a week).

Using this combination of datasets, HVO scientists have tracked inflation of both Kilauea and Mauna Loa over the past several years.

Mauna Loa began refilling with magma – and inflating – immediately after the most recent eruption in 1984. Inflation then waxed and waned over the next 30 years. The most recent and ongoing episode of Mauna Loa inflation started in 2014, with significantly increased numbers of shallow earthquakes.

Kilauea has also been inflating in recent years. Similar to Mauna Loa, inflation of Kīlauea is mainly occurring in a magma storage system beneath the volcano’s summit caldera and upper Southwest Rift Zone. But this magma reservoir is more circular and centered beneath the south part of Kilauea’s caldera. As I put it above, small, deflation-inflation events in Kilauea tilt that occur over a few days to a week are superimposed on this overall inflation and result in rather dramatic fluctuations in the summit lava lake level.

It should be noted that HVO has modified its website sothat visitors can now track changes at any of HVO’s tilt and GPS stations on the island with a few mouse clicks.

https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/monitoring_deformation.html

Source: USGS / HVO.

Exemples de données consultables sur le site Web du HVO.

Un géochimiste de terrain // A field geochemist

Le personnel de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) vient d’honorer Jeff Sutton, un géochimiste qui a pris sa retraite après 38 ans de travail pour l’USGS. Jeff Sutton est le contraire de ces scientifiques qui passent leur temps dans un laboratoire. Tout au long de sa carrière, il s’est efforcé d’améliorer les méthodes d’échantillonnage des gaz volcaniques et notre compréhension de ce que les gaz peuvent révéler sur les processus éruptifs.

Le travail de Jeff va bien au-delà de la Grande Ile d’Hawaï car il a travaillé sur d’autres volcans actifs dans l’ouest des États-Unis et dans le monde entier. Jeff a compris que l’instrumentation sur le terrain présente plusieurs avantages par rapport aux mesures intermittentes et aux analyses des gaz volcaniques en laboratoire. Tout d’abord, cela réduit le nombre de visites à risques sur un site volcanique. De plus, les mesures en continu fournissent une vue plus détaillée que les échantillons occasionnels de l’évolution des concentrations de gaz avec l’activité volcanique. Enfin, en envoyant des données à l’observatoire en temps réel, on obtient dans les meilleurs délais une indication de toute modification des émissions de gaz pouvant signaler un changement d’activité éruptive.
Le projet d’échantillonnage des gaz volcaniques en continu a permis à Jeff Sutton de travailler pour le compte de l’Observatoire Volcanologique des Cascades. En 1993, il a été affecté pour 2 ou 3 ans au HVO, mais y a travaillé au final pendant 24 ans! Jeff envisage de continuer à travailler au HVO de manière intermittente en tant que « scientifique émérite » car il a l’intention de mener à leur terme des projets de recherche importants.
Jeff Sutton appartient à cette catégorie de scientifiques de terrain que j’apprécie le plus. Il me rappelle le regretté François Le Guern qui a passé son temps à inventer de nouvelles méthodes d’échantillonnage de gaz volcaniques à la source, avant qu’ils soient pollués par l’air ambiant. En travaillant pour Haroun Tazieff, il a compris très tôt que les gaz étaient le moteur d’une éruption et que leur étude et leur analyse devraient être prioritaires.
Source: USGS / HVO.

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Hawaiian Volcano Observatory (HVO) staff has just honoured Jeff Sutton, a gas geochemmist who retired after 38 years of work for USGS. .

Jeff Sutton is the contrary of those scientists who spend their time in a laboratory. Throughout his career, Jeff strived to improve methods of sampling volcanic gasses and our understanding of what the gasses can tell us about eruptive processes.

Jeff’s impact extends far beyond Hawaii, as he has worked at active volcanic systems throughout the western U.S. and around the world. Jeff realized that field-based instrumentation has several advantages over intermittent measurements and laboratory analyses of volcanic gasses. First, it alleviates the need for hazardous visits to a volcanic site. Secondly, continuous measurements provide a more detailed view of how gas concentrations and compositions change with changing volcanic activity than occasional samples. Finally, by sending data to the observatory in real-time, we can get the earliest possible indication of any change in gas emissions that could signal a change in eruptive activity.

The continuous sampling project led to Jeff’s appointment to a position at the Cascades Volcano Observatory. In 1993, he was assigned to a 2-3 year tour at HVO. Fortunately for his colleagues at HVO, that “temporary” tour lasted 24 years! Jeff plans to continue working at HVO intermittently as a “scientist emeritus”—meaning that he will volunteer his time to continue the work he loves and to finish important projects.

Jeff  Sutton belongs to the category of on-the-field scientists I appreciate most. He reminds me of the late François Le Guern who spent his time inventing new methods of sampling volcanic gases at the source, before being polluted by the ambient air. Working for Haroun Tazieff, he understood very early that gases were the motor of an eruption and that their study and analysis should be given priority.

Source: USGS / HVO.

Mesure des émissions gazeuses pendant l’éruption fissurale de Kamoamoa en 2011. (Crédit photo : USGS / HVO)