Étiquette : inclinomètres

Les inclinomètres du Kilauea (Hawaï) // Tiltmeters at Kilauea Volcano (Hawaii)

Au cours de ma conférence « Volcans et risques volcaniques », j’explique que le regretté Maurice Krafft comparait un volcan sur le point d’entrer en éruption à une personne malade ou blessée. Une telle personne a de la fièvre et des frissons et généralement mauvaise haleine. La plaie enfle également. Il en va de même avec un volcan sur le point d’entrer en éruption : la température des gaz augmente ; on enregistre une hausse de la sismicité ; la composition des gaz change et un gonflement de l’édifice est détecté par les instruments.
Ce dernier paramètre est développé par l’Observatoire Volcanologique d’Hawaï (HVO) dans un nouvel épisode de la série « Volcano Watch ».
Au cours du siècle dernier, les avancées technologiques ont considérablement amélioré la surveillance volcanique. Une innovation clé a été l’introduction d’inclinomètres (aussi appelés tiltmètres) de forage, des appareils capables de mesurer d’infimes variations d’inclinaison de la surface du volcan.
Les inclinomètres de forage sont utilisés par les scientifiques du HVO depuis le début des années 1970 et sont devenus un élément essentiel de la surveillance volcanique. Un instrument plus ancien appelé « inclinomètre à tube d’eau » était utilisé dans les années 1950.
Aujourd’hui, le réseau d’inclinomètres moderne sur l’île d’Hawaï fait partie d’un ensemble plus vaste d’outils de surveillance incluant des stations sismiques, des récepteurs GPS, des capteurs de gaz et des images fournies par les webcams et les satellites. Tous ces outils permettent aux scientifiques de surveiller les changements de comportement des volcans susceptibles de provoquer des éruptions.
Les inclinomètres sont des instruments sensibles conçus pour détecter de très légères variations de déformation du sol. Ils sont installés autour des volcans pour surveiller l’évolution de la surface de la Terre causée par le déplacement du magma sous terre. Ces mouvements précèdent souvent les éruptions car le magma exerce une pression sur la roche environnante, tout en provoquant un gonflement ou un léger déplacement de la surface.
Les inclinomètres actuels fonctionnent avec une grande précision. Ils peuvent détecter des variations de seulement cinq nanoradians, soit moins d’un millionième de degré. Ce niveau de précision rend les inclinomètres indispensables pour suivre les changements subtils de l’activité volcanique et fournir des alertes précoces aux scientifiques.
Une vingtaine d’inclinomètres de forage sont installés stratégiquement sur le Kilauea et le Mauna Loa, à des endroits clés des sommets et des caldeiras de ces volcans. Ces zones sont importantes car elles sont les plus susceptibles de subir une déformation importante du sol pendant les périodes d’activité volcanique et avant le début d’une éruption.
Ces inclinomètres fonctionnent en continu et génèrent un point de données toutes les 60 secondes. Ainsi, ils peuvent transmettre ces données en temps quasi réel au HVO. Elles sont essentielles pour la détection précoce de l’activité volcanique. Par exemple, au cours de son ascension vers la surface, le magma peut provoquer une inclinaison significative du sol qui est enregistrée par les inclinomètres. En analysant plusieurs ensembles de données, les scientifiques peuvent déterminer la zone où le magma se déplace et si une éruption est imminente.
Les inclinomètres de forage nécessitent un entretien de routine, notamment le changement des batteries et la mise à niveau de la télémétrie radio utilisée pour envoyer les données au HVO.

Maintenance d’un inclinomètre de forage au sommet du Kilauea (Crédit photo : HVO)

Chaque inclinomètre a également une plage d’inclinaison limitée sur laquelle il peut enregistrer la déformation avec précision. Les inclinomètres analogiques du HVO doivent être mis à niveau manuellement si la déformation dépasse 300 microradians. L’inclinomètre aura alors besoin d’un peu de temps pour « se stabiliser » avant que les données puissent être de nouveau utilisées quantitativement. À côté des appareils analogiques, des inclinomètres numériques peuvent être mis à niveau à distance sans interruption de la qualité des données.
Les inclinomètres sont particulièrement utiles pour suivre les changements au fur et à mesure que le sommet du Kilauea gonfle et se dégonfle (phases d’inflation et de déflation). Le réseau d’inclinomètres du Kilauea a aussi fourni des informations précieuses sur la migration du magma entre le sommet et la Middle East Rift Zone au cours des nombreuses intrusions qui ont conduit à la dernière éruption dans et près du Nāpau Crater du 15 au 20 septembre 2024.
Le Mauna Loa fait également l’objet d’une surveillance étroite par le réseau d’inclinomètres du HVO. Bien que moins actif que le Kilauea au cours des dernières décennies, le Mauna Loa est toujours susceptible de donner naissance à des éruptions dangereuses. Au cours des mois qui ont précédé et des heures qui ont suivi le début de l’éruption de 2022, les inclinomètres ont joué un rôle essentiel car ils ont permis aux scientifiques de suivre l’activité et la déformation de plus en plus importante du sommet.
Les inclinomètres sont donc un élément essentiel du réseau de surveillance volcanique à Hawaï. En détectant des changements subtils dans l’inclinaison du sol, ils fournissent des signaux d’alerte précoce et permettent aux scientifiques de mieux comprendre le comportement des volcans d’Hawaï.
Source : USGS / HVO.

 

Données d’inflation du Kilauea obtenues grâce aux inclinomètres installés dans la zone sommitale du volcan (Source : HVO).

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I explain in my conference « Volcanoes and volcanic hazards » that the late Maurice Krafft used to compare a volcano about to erupt with a sick or wounded person. Such a person has a fever and chills and usually bad breath. The wound also swells. It is the same with a volcano about to erupt : gas temperature rises ; seismicity increases ; gas composition changes and an inflation of the edifice is detected by the instruments.

This last parameter is developed by the Hawaiian Volcano Observatoty (HVO) in a new « Volcano Watch » episode.

Over the past century, technological advancements have vastly improved volcano monitoring. One key innovation was the introduction of modern borehole tiltmeters, devices that measure very small changes in the inclination of the volcano’s surface.

Borehole tiltmeters have been used by the HVO scientists since the early 1970s and have since become an essential part of the volcano monitoring program. An older style of instrument called a “water tube tiltmeter” goes back even further to the 1950s.

Today the modern tiltmeter network on the Island of Hawaii forms part of a larger array of monitoring tools, including seismic stations, GPS receivers, gas sensors, and webcam/satellite imagery. Together, these tools help scientists keep a close eye on the changing behaviors at volcanoes that may lead to eruptions.

A tiltmeter is a sensitive instrument designed to detect very slight changes in deformation of the ground. They are installed around volcanoes to monitor changes in the Earth’s surface caused by magma moving underground. These movements often precede eruptions, as pressure from magma pushes against the surrounding rock, causing the surface to bulge or shift slightly.

Today’s tiltmeters work with high precision. They can detect changes as small as five nanoradians, or less than one millionth of a degree. This level of precision makes tiltmeters invaluable for tracking subtle changes in volcanic activity and providing early warnings to scientists.

More than a dozen borehole tiltmeters are strategically installed on Kilauea and Mauna Loa at key locations across the volcano summits and calderas. These areas are of particular interest because they are most likely to experience significant ground deformation during periods of volcanic unrest and before an eruption onset.
These tiltmeters operate continuously and produce one data point every 60 seconds, transmitting data in near real-time to HVO. This data is critical for early detection of volcanic activity. For example, when magma begins to rise toward the surface, it can cause noticeable tilting of the ground, which is recorded by the tiltmeters. By analyzing multiple monitoring datasets, scientists can determine where magma is moving and whether an eruption may be imminent.

Borehole tiltmeters need routine maintenance including changing batteries and upgrading the radio telemetry used to send the data back to HVO. Each tiltmeter also has a limited range of tilt over which it can accurately record deformation. For example, HVO analog tiltmeters need to be manually leveled in their boreholes if deformation exceeds 300 microradians. Then, the tiltmeter will need time to “settle” from the physical disturbance before the data can be used quantitively. Other digital tiltmeters can be leveled remotely with no interruption in data quality.

Tiltmeters have been particularly useful in tracking changes as Kilauea’s summit inflates and deflates. Kilauea’s tiltmeter network provided valuable information about magma moving from the summit to the Middle East Rift Zone during the several intrusions leading up to the most recent eruption in and near Nāpau Crater from September 15th to 20th, 2024.

Mauna Loa has also been under close surveillance by HVO’s tiltmeter network. Although less active than Kilauea in recent decades, Mauna Loa is still capable of producing hazardous eruptions. In the months leading up to and in the hours during the initial onset of the 2022 Mauna Loa eruption, tiltmeters played a critical role in helping scientists track unrest and heightened summit deformation.

Tiltmeters are a crucial component of the volcanic monitoring network in Hawaii. By detecting subtle changes in ground inclination, they provide early warning signals of volcanic unrest and help scientists to better understand the behavior of Hawaii’s dynamic volcanoes.

Source : USGS / HVO.

L’inclinométrie sur les volcans // Inclinometry on volcanoes

Le dernier Volcano Watch de l’Observatoire des Volcans Hawaiiens (HVO) est dédiée à la mesure des déformations et en particulier de l’inclinaison du sol – tilt en anglais – sur les volcans, avec le Kilauea comme référence.
La mesure des déformations subies par un volcan sous la pression du magma est un paramètre essentiel en matière de surveillance volcanique. Les instruments à la disposition du HVO incluent un certain nombre de méthodes satellitaires récentes, mais un instrument revêt une importance depuis très longtemps : l’inclinomètre, aussi appelé tiltmètre.
L’inclinaison du sol sur un volcan constitue la première donnée géodésique utilisée par le HVO et continue d’être très importante à la fois pour la surveillance et la recherche fondamentale sur le comportement des volcans.

 

Images de déformation de la zone sommitale du Kilauea (Source : HVO)

Ce n’est qu’au début du 20ème siècle que les scientifiques ont commencé à se rendre compte que les éruptions volcaniques s’accompagnaient de changements topographiques.
En 1917, le Dr Thomas Jaggar a commencé à étudier les variations d’inclinaison des volcans hawaiiens. Dans un premier temps, il a observé les déviations des sismomètres Omori et Bosch-Omori du HVO. Plus tard, il a construit des « clinoscopes » spécialement conçus pour les volcans hawaiiens. Ces instruments donnaient une idée approximative de l’inclinaison sur une période d’une journée à une semaine.
Dans les années 1950, un scientifique du HVO a conçu un inclinomètre plus performant utilisant de l’eau. Cet appareil fournissait une mesure précise de l’inclinaison quotidienne ou même horaire. Les « inclinomètres à tube d’eau » ont permis aux scientifiques du HVO de suivre les mouvements du sommet du Kilauea au cours de plusieurs éruptions. Ils ont pu ainsi obtenir une mesure en continu de l’inflation et de la déflation du sol.
L’inclinomètre à tube d’eau se compose de trois « pots » d’eau reliés par des tubes de telle sorte que l’eau puisse circuler librement entre eux. Un pot est placé au centre et les deux autres sont placés à l’est et au nord du pot central. L’eau dans les tubes cherche toujours à être de niveau, mais lorsque le sol s’incline et déplace les pots vers le haut ou vers le bas, on a l’impression que le niveau d’eau descend ou monte. En lisant la profondeur de l’eau dans chaque pot, on peut déterminer l’inclinaison du sol depuis la dernière mesure.
Les données fournies par les inclinomètres à tube d’eau étaient particulièrement précieuses car elles pouvaient être récupérées régulièrement et constituer une série chronologique continue. Ce type de mesures en continu facilite l’analyse de l’activité volcanique, ce qui ne serait pas possibles si les données n’étaient collectées que lors des éruptions. En particulier, les inclinomètres à tube d’eau ont montré des cycles d’inflation rapide entre les éruptions, puis une déflation soudaine lorsque les éruptions vidaient les chambres magmatiques.

Tiltmètre à tube d’eau (Crédit photo : HVO)

Au début des années 1970, des inclinomètres électroniques ont commencé à être installés sur le Kilauea. Ces instruments sont insérés dans des forages d’environ 5 mètres de profondeur, afin d’être à l’abri des intempéries, et ils peuvent fournir des mesures d’inclinaison précises, jusqu’à une fraction de microradian chaque minute.

Après la fin de l’éruption du Pu’uO’o en 2018, la nature de l’inclinaison du sommet du Kilauea a encore changé. Les inclinomètres électroniques ont commencé à enregistrer une forte tendance inflationniste, pas très différente des niveaux observés par les inclinomètres à tube d’eau dans les années 1950-1970. Des éruptions majeures, semblables à celles du Kilauea Iki ou du Mauna Ulu – qui ont entraîné d’importantes déflations au sommet – ne se sont pas produites récemment, mais la similitude des mesures actuelles avec celles des années 1950 et 1970 montre que le comportement du Kilauea aujourd’hui n’est pas très différent de celui d’avant l’éruption de 2018.
Cela signifie que les données collectées et les enseignements tirés du système d’alimentation du Kilauea sont toujours valables aujourd’hui. Les scientifiques peuvent toujours s’appuyer sur le comportement passé du Kilauea pour faire des prévisions sur le comportement futur de ce volcan, et émettre de nouvelles hypothèses sur ce qui a pu se produire dans le passé.
Par exemple, en examinant les données du passé, les scientifiques ont conclu que la situation actuelle au sud de la caldeira du Kilauea est probablement due à l’accumulation de magma dans un réservoir de la caldeira sud en 2015 et 2021.
Le dernier Volcano Watch ne s’y attarde pas, mais aujourd’hui l’interférométrie radar satellitaire (InSAR) fournit une image instantanée de la déformation d’un volcan depuis l’air et l’espace.. L’InSAR utilise des images radar du sol fournies par des avions ou des satellites pour établir des cartes de déformation du sol.
Source : USGS/HVO.

 

Image InSAR du Kilauea en mars 2011 (Source : HVO)

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The latest Volcano Watch by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) is dedicated to the measurement of tilt on volcanoes, especialli Kilauea.

Measuring how a volcano deforms in response to moving magma is an essential parameters of volcano monitoring. The Observatory’s instrumentation includes a number of newer, satellite-based methods but another important instrument has been around a lot longer: the tiltmeter.

Tilt data was the first geodetic data collected by HVO and continues to be very important both for monitoring and basic research in volcano behaviour.

In the early 20th century, scientists were only beginning to recognize that volcanic eruptions were accompanied by topographic changes.

In 1917, Dr. Thomas Jaggar began tracking tilt changes at Hawaiian volcanoes. At first, he looked at the deflections of the HVO’s Omori and Bosch-Omori seismometers. Later, he constructed specially designed “clinoscopes.” These provided a rough idea of the amount of tilt over the span of a day to a week.

In the 1950s, an HVO scientist designed an improved tiltmeter using water. This apparatus provided a precise tilt measurement to track daily or even hourly tilt. The “water tube tiltmeters” allowed HVO scientists to track the movement of Kilauea’s summit through several eruptions, providing a continuous record of inflation and deflation.

The water tube tiltmeter consists of three “pots” of water connected by tubes such that the water can freely flow between them. One pot is placed in the center, and the other two are placed east and north of the center pot. The water in the tubes will always seek to be level, but when the ground tilts and moves the pots up or down, it will look like the water level is moving down or up. By reading the depth of the water in each pot, one can work out how much the ground has tilted since the last reading.

Water tube tilt data was especially valuable because it could be collected regularly to form a continuous time series. This kind of continuous record facilitates discoveries that wouldn’t be possible if data was only collected during eruptions. In particular, the water tube tiltmeters showed cycles of steep inflationary tilt between eruptions and then sudden deflation as eruptions drained magma chambers.

In the early 1970s, electronic tiltmeters began to be installed around Kilauea. These instruments are installed in boreholes about 5 meters) deep, so that they might be protected from the weather, and can provide tilt measurements down to a fraction of a microradian every minute.

After the end of the Pu’uO’o eruption in 2018, the character of tilt at Kilauea’s summit changed again. Electronic tiltmeters began to record steep inflationary tilt, not too different from the rates observed by the water tube tiltmeter in the 1950s–1970s. Major eruptions, similar to Kilauea Iki or Mauna Ulu – which resulted in large summit deflations – have not occurred recently, but the similarity of the current records to those from the 1950s-1970s is another sign that Kilauea is not too different now from how it was before the 2018 eruption.

This means that the data collected, and the lessons learned about Kilauea’s plumbing system, are still applicable today. Scientists can still use Kilauea’s past behaviour to make forecasts about future behaviour and test out new ideas for what may have happened in the past.

For example, by looking back at past records, scientists have concluded that the current situation south of Kilauea’s caldera is likely due to magma accumulation in a South Caldera reservoir, which occurred in 2015 and 2021.

The latest Volcano Watch does not mention it, but today Interferometric Aperture Radar (InSAR) provides a snapshot of volcano deformation from air and space. InSAR uses radar images of the ground that are collected by airplanes or orbiting satellites to make maps of ground deformation.

Source : USGS / HVO.