La géodésie sur les volcans // Volcano geodesy

Plusieurs paramètres sont à prendre en compte pour analyser le comportement des volcans et tenter de prévoir les éruptions : sismicité, température et composition des gaz, déformation du sol… Ce dernier paramètre est le domaine de la géodésie qui consiste à mesurer la déformation et l’évolution de la surface de la Terre. Un article récemment publié par le Hawaiian Volcano Observatory (HVO) nous donne plus de détails sur cette technologie.
Les principales données géodésiques actuellement utilisées par les scientifiques du HVO pour mesurer la déformation de surface sur le Kilauea sont fournies par les images GNSS (système global de navigation par satellite, qui comprend le GPS), l’inclinaison du sol (tilt en anglais) et l’interférométrie radar (InSAR).

Sur le Kilauea, le réseau de surveillance géodésique comprend plus de 70 stations GNSS et 15 inclinomètres qui enregistrent et transmettent des données en continu. Ces instruments nécessitent une maintenance; de plus, ils doivent être réactualisés périodiquement en raison de leur âge et doivent être remplacés s’ils sont détruits par l’activité volcanique comme en 2018.
A l’heure actuelle à Hawaii, le travail des scientifiques se focalise sur la reconstruction et l’amélioration du réseau géodésique afin de mieux détecter les risques liés à l’activité volcanique. Une partie du travail consiste à remplacer les instruments obsolètes et à améliorer le fonctionnement des instruments de surveillance en temps quasi réel dans des zones les plus sensibles du sommet du Kilauea et des zones de rift. Le rôle de ces instruments est de pouvoir détecter rapidement les mouvements du magma.
En 2018, des coulées de lave ont détruit 3 stations GNSS dans la Lower East Rift Zone (LERZ). Trois autres stations GNSS ont été détruites lors de l’effondrement de la caldeira sommitale du Kilauea. De nouvelles stations GNSS ont été rapidement déployées à proximité pour permettre une surveillance continue pendant la crise éruptive de 2018. Ces stations déployées rapidement comprennent des antennes GNSS montées sur trépied et qui appartiennent à la configuration utilisée pour les situations temporaires d’une durée de plusieurs jours à plusieurs semaines.
Bon nombre de ces sites où des antennes ont été installées rapidement ont été supprimés après 2018. Cependant, environ 13 d’entre eux sont toujours utilisés pour la surveillance en cas d’urgence et restent sur des trépieds temporaires. Ces sites seront modernisés et de nouveaux sites seront également mis en place pour remplacer ceux détruits en 2018.
Le HVO a déployé 3 nouvelles stations GNSS à fonctionnement semi-continu suite à l’éruption du Kilauea en décembre 2020. Ces stations ont permis aux scientifiques d’avoir une vue plus complète du retour du magma vers le sommet.
De même, le HVO a déployé un équipement GNSS à réponse rapide sur 2 repères préexistants lors de l’intrusion magmatique au niveau de la caldeira sud du Kilauea en août 2021. Cela a permis aux scientifiques de suivre la migration du magma depuis la caldeira vers le sud.
Dans l’article, l’Observatoire explique que le réseau géodésique permet aux scientifiques de surveiller les déformations du sol sur les volcans, de réagir face aux éruptions et de mieux comprendre le stockage et le mouvement du magma sous terre.
Source : USGS, HVO.

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Several parameters need to be taken into account to analyse the behaviour of volcanoes and try to predict eruptions: seismicity, gas temperature and composition, ground deformation… This last parameter is the domain of geodesy which is the study of measuring and understanding how the Earth’s surface deforms and changes. As article recently published by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) gives us more details about this technology.

The main geodetic datasets currently used by HVO scientists to measure surface deformation on Kilauea Volcano are GNSS (global navigation satellite system, which includes GPS), tilt, and satellite radar (InSAR) imagery.

On Kilauea, geodetic monitoring network includes over 70 GNSS stations and 15 tiltmeters that continuously record and transmit data. These instruments require routine maintenance, must be upgraded periodically due to age, and must be replaced if destroyed by volcanic activity such as in 2018.

Current upgrades focus on rebuilding and improving HVO’s geodetic network in order to better detect and respond to volcanic hazards related to Hawaiian Volcanoes. Some of the network upgrades include replacing out-of-date instruments and improving the network of near real-time monitoring instruments at critical areas on Kilauea’s summit and rift zones to support early detection of magma movement.

In 2018, lava flows destroyed 3 GNSS stations in the lower East Rift Zone. Another 3 GNSS stations were destroyed in the caldera collapses at Kilauea’s summit. New GNSS stations were rapidly deployed at nearby locations to allow for continued monitoring during the 2018 crisis. These rapidly deployed stations included GNSS antennas mounted on surveys tripods, which is a set-up used for temporary deployments that last several days to weeks.

Many of these rapidly deployed sites were removed after 2018. However, approximately 13 of them are still being used for emergency monitoring and remain on temporary tripods. These sites will be upgraded and new sites will also be installed to replace those destroyed in 2018.

HVO has deployed 3 new semi-continuous GNSS stations in response to the December 2020 Kilauea eruption. These stations gave scientists a more complete view of magma returning to the summit.

Similarly, HVO deployed rapid-response GNSS equipment at 2 pre-existing benchmarks during the Kilauea south caldera intrusion event in August 2021, allowing scientists to track the migration of magma from the south caldera to farther south.

In the article, the Observatory explains that the geodetic network ensures that scientists can monitor changes in the shape of volcanoes, respond to eruptions, and understand magma storage and movement underground.

Source: USGS, HVO.

Station géodésique GNSS sur le plancher de la caldeira du Kilauea (Crédit photo : HVO)

Exemple d’interférogramme InSAR du Kilauea pendant l’éruption de 2018 (Source: NASA / Université de Liverpool).

Eruption à court terme sur la péninsule de Reykjanes ? // Short-term eruption on the Reykjanes Peninsula ?

Selon la dernière analyse du Met Office islandais (IMO), la probabilité d’une éruption dans la région de Fagradalsfjall dans les jours ou semaines à venir est à prendre en compte. Cette hypothèse fait suite à l’étude des modèles de déformation obtenus grâces aux satellites. Ils indiquent que le chemin emprunté par l’intrusion magmatique sous le Fagradalsfjall est très peu profond, à environ 1 km sous la surface.
Les modèles montrent que l’afflux de magma est assez rapide, presque deux fois plus rapide que lors de l’éruption de février/mars 2021. L’image InSAR réalisée à partir des données satellitaires Sentinel-1 montre clairement l’intrusion magmatique entre Keilir et le Fagradalsfjall ainsi que la déformation qui a accompagné le séisme de M5.4 à Grindavík le 31 juillet 2022.
La déformation et l’activité sismique semblent ralentir en ce moment, mais une situation semblable a été observée l’année dernière et a été l’un des précurseurs de l’éruption.
L’intrusion magmatique actuelle se produit le long de la bordure nord du chenal magmatique de l’année dernière et s’étend du centre du chenal à mi-chemin jusqu’à Keilir, ce qui explique probablement la sismicité dans cette zone. Le risque éruptif dans la zone autour du Fagradalsfjall dans les jours ou semaines à venir est donc bien réel.
Source: IMO.

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According to the latest analysis by the Icelandic Met Office (IMO), the chances of eruption in the area around Fagradalsfjall in the coming days or weeks have increased and are considered significant. This hypothesis follows the study of the deformation models. They indicate that the magma tunnel under Fagradalsfjall lies very shallow, about 1 km below the surface.

The models show that he magma influx is quite fast, nearly double the rate of the previous eruption in February/March 2021. InSAR image made from Sentinel-1 satellite images clearly shows the magmatic intrusion between Keilir and Fagradalsfjall along with deformation parallel to the M5.4 earthquake that occurred at Grindavík on July 31st, 2022.

The deformation and seismic activity seem to be slowing down right now, but this situation looks like what it was last year and was one of the forerunners of the eruption.

The current magma intrusion is taking place along the northern side of the magma tunnel from last year and extends from the center of the tunnel halfway to Keilir, which probably accounts for the earthquakes in that area.. The chances an eruption in the area around Fagradalsfjall in the coming days or weeks have therefore increased.

Source: IMO.

Source: Copernicus

Image InSAR couvrant la période du 20 juillet au 1er août 2022. On voit parfaitement l’intrusion magmatique entre Keilir et Fagradalsfjall ainsi que la déformation qui a accompagné le séisme de M5.4 à Grindavík le 31 juillet 2022.

Prévision éruptive par les variations thermiques d’un volcan // Eruptive prediction through the thermal fluctuations of a volcano

On peut lire sur le site web The Watchers un article intéressant sur une nouvelle méthode imaginée par des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA et de l’Université de l’Alaska (UA) et qui pourrait être utilisée pour essayer de prévoir les éruptions volcaniques.

Les volcanologues s’appuient en général sur des signes avant-coureurs tels que l’augmentation de l’activité sismique, des changements dans les émissions gazeuses et la déformation du sol pour dire qu’un volcan est susceptible d’entrer en éruption. Cependant, la prévision éruptive est difficile car chaque volcan possède un comportement qui lui est propre. La situation est d’autant plus complexe qu’un petit nombre de volcans actifs dans le monde possèdent des systèmes de surveillance dignes de ce nom.

À l’aide de données satellitaires, les scientifiques du JPL et de l’UA ont proposé une nouvelle méthode qui pourrait rendre la prévision volcanique plus fiable. Elle se base sur une augmentation subtile mais significative des émissions de chaleur autour d’un volcan dans les années qui précèdent une éruption. Cela permet de constater qu’un volcan s’est réveillé, souvent bien avant l’apparition des autres signes mentionnés ci-dessus.

L’équipe scientifique a analysé plus de 16 années de données sur le rayonnement thermique capté par les instruments MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) à bord des satellites Terra et Aqua de la NASA sur plusieurs types de volcans qui sont entrés en éruption au cours des 20 dernières années. En dépit du fait que l’on a affaire à différents types de volcans, les résultats sont identiques. Dans les années précédant une éruption, la température de surface émise par la majorité des volcans a augmenté de 1°C par rapport à son état normal. Elle a ensuite diminué après chaque éruption.

Les scientifiques pensent que cette hausse de température peut résulter de l’interaction entre les systèmes hydrothermaux et les réservoirs magmatiques. Lors de l’ascension du magma à l’intérieur de l’édifice volcanique, les gaz se diffusent à la surface et peuvent dégager de la chaleur. De même, ce dégazage peut favoriser la remontée des eaux souterraines et la circulation hydrothermale, ce qui peut faire s’élever la température du sol.

Cette approche pourrait fournir de nouvelles informations sur le comportement des volcans, en particulier si on l’associe à des informations provenant d’autres satellites et  d’autres modèles. Les chercheurs ont découvert que les données thermiques se superposaient aux données semblables de déformation, mais avec un certain décalage dans le temps.

Bien que cette nouvelle méthode de prévision éruptive ne réponde pas à toutes les questions, elle ouvre la porte à de nouvelles approches de télédétection, en particulier pour les volcans isolés ou éloignés, souvent dépourvus de systèmes locaux de surveillance. .

Il faut noter que les mesures InSAR de déformation de la surface du sol permettent également aux observatoires volcanologiques du monde entier d’identifier les volcans les plus susceptibles d’entrer en éruption, ainsi que ceux qui devraient être instrumentés pour des observations plus approfondies.

Référence: « Large-scale thermal unrest of volcanoes for years prior to eruption » – Girona, T., et al. – Nature Geoscience.

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One can read on the website The Watchers an interesting article about a new method that could be used to try and predict volcanic eruptions.

Scientists at NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) and the University of Alaska (UA) have developed a new method that may lead to earlier predictions of volcanic eruptions.

Up to now, volcanologists have referred to warning signs such as an increase in seismic activity, changes in gas emissions, and sudden ground deformation to say that a volcano was likely to erupt in the future. However, forecasting eruptions is difficult because each volcano displays its own behaviour. The situation is all the more complex as a small number of the world’s active volcanoes have monitoring systems in place.

Using satellite data, scientists at JPL and UA came up with a new method that might make volcanic prediction more reliable. It is is based on a subtle but significant increase in heat emissions over large areas of a volcano in the years leading up to its eruption. It allows to see that a volcano has reawakened, often well before any of the other signs have appeared.

The scientific team studied more than 16 years of radiant heat data from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometers (MODIS) instruments aboard NASA’s Terra and Aqua satellites for several types of volcanoes that erupted in the last 20 years. Despite the differences among the volcanoes, the results were the same. In the years leading up to an eruption, the radiant surface temperature over the majority of the volcanoes increased by 1°C from its normal state. Then, it decreased after each eruption.

Scientists believe that the thermal increase may result from the interaction between hydrothermal systems and magma reservoirs. When magma rises through a volcano, the gases diffuse to the surface and can give off heat. Similarly, this degassing can promote the up-flow of underground water and hydrothermal circulation, which can heat up soil temperature.

The new method may provide more insight into volcano behaviour, especially when combined with information from other satellites and models. The researchers found that the thermal time series very much mimicked the deformation time series but with some time separation.

Although the research does not answer all of the questions, it opens the door to new remote sensing approaches, especially for distant volcanoes which are devoid of local monitoring systems.

The InSAR ground-surface deformation measurements also help allow volcano observatories around the world to identify which volcanoes are most probably to erupt, as well as which should be instrumented for closer observations.

Reference : « Large-scale thermal unrest of volcanoes for years prior to eruption » – Girona, T., et al. – Nature Geoscience.

Image thermique du Parc National de Yellowstone (délimité en rouge). A gauche l’image du Parc en couleurs réelles. A droite l’image thermique avec les températures les plus élevées en blanc. (Source :  Goddard Space Flight Center de la NASA).

Yellowstone ne sera pas forcément le volcan le plus facile pour la détection des variations thermiques.

L’aide des satellites dans la prévision éruptive // The help of satellites in eruptive prediction

Lorsque le Mont Ontake au Japon est entré en éruption sans prévenir en 2014 et a tué plus de 60 personnes, les volcanologues japonais ont réalisé que la surveillance du volcan était loin d’être parfaite.

Un article publié sur le site Internet «Wired» explique que des techniques modernes de surveillance volcanique sont apparues ces dernières années. Par exemple, les satellites sont susceptibles de participer à la prévision éruptive. La chaleur est un important paramètre à prendre en compte. Au lieu de mesurer la température en des endroits précis avec des thermomètres, les satellites permettent une approche thermique plus globale. C’est la raison pour laquelle une équipe scientifique du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de Pasadena (Californie) s’est tournée vers les données de rayonnement thermique fournies par les satellites Terra et Aqua de la NASA. En survolant les zones potentiellement actives deux fois par jour, ces deux satellites fournissent des mesures précises intégrées sur des pixels de 1 kilomètre au carré.

Cinq volcans ont connu des éruptions importantes depuis 2002: Ontake au Japon, Ruapehu en Nouvelle-Zélande, Calbuco au Chili, Redoubt en Alaska et Fogo au Cap-Vert. Des hausses de température avaient été observées au cours des deux à quatre ans précédant chaque éruption, y compris l’éruption surprise de l’Ontake en 2014. La température n’avait augmenté que de 1 degré Celsius ou moins avant chaque événement, mais il s’agissait de tendances statistiquement significatives et pas seulement de bruit de fond.

Selon les chercheurs, la hausse de température observée par les satellites peut s’expliquer par la combinaison de deux processus. D’une part, le magma pendant son ascension vers la surface peut stimuler la circulation hydrothermale, ce qui génère une migration de la chaleur vers la surface. D’autre part, cet apport d’humidité peut émettre un rayonnement thermique facilement capté par les satellites. Ces variations subtiles sont facilement détectables dans les données satellitaires.

Source: Wired.

S’agissant des satellites, il faut ajouter que les paramètres InSAR sont d’une grande aide pour mesurer la déformation de surface, comme on l’a vu récemment sur la Péninsule de Reykjanes en Islande.

Cependant, ne considérer que la chaleur de surface d’un volcan comme le fait l’article ci-dessus n’est pas suffisant pour tenter de prévoir une éruption. Le regretté Maurice Krafft comparait un volcan sur le point d’entrer en éruption avec une personne malade ou blessée: la fièvre monte; la personne a des frissons, une mauvaise haleine et la zone autour de la blessure enfle. C’est la même chose pour un volcan. Il est très utile de mesurer la température, mais la sismicité, les émissions de gaz et l’inflation doivent également être prises en compte. Le seul paramètre thermique n’est pas suffisant.

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When Japan’s Mount Ontake erupted in 2014 without warning, killing more than 60 people, Japanese volcanologists realised that the monitoring of the volcano was far from perfect.

An article published on the website “Wired” explains that modern techniques for volcano surveillance have appared these last years. For instance, satellites could provide an entirely new way to warn of eruptions.

Heat is a relevant parameter for volcanic activity. Instead of measuring it at individual spots with thermometers, satellites allow to get a more global thermal view. This is the reason why a scientificteam at the Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena (California) turned to thermal radiation data from NASA’s Terra and Aqua satellites. Combined, these two provide twice-daily passes with global coverage, and each measurement is integrated over a 1 kilometre by 1 kilometre pixel.

Five volcanoes have had significant eruptions since 2002 : Ontake in Japan, Ruapehu in New Zealand, Calbuco in Chile, Redoubt in Alaska, and Fogo in Cape Verde.

Increasing temperature trends were observed over the two- to four-year periods preceding each eruption—including Ontake’s surprise 2014 eruption. Temperatures only increased by 1 degree Celsius or less in the lead-up to each event, but these were statistically significant trends and not just noise. The peak temperatures in each record were associated with an eruption.

The researchers say this might represent a combination of two processes. First, magma progressing closer to the surface could stimulate hydrothermal circulation, carrying heat to warm the surface from below. Second, if this pushes more moisture into the soil layer, the ground could emit thermal radiation more efficiently and so appear “brighter” to the satellites. Either way, these subtle changes seem easily detectable in the satellite data.

Source : Wired.

As far as satellites are concerned, id should be addes that InSAR parameters are of a great help to measure surface deformation, as could recently be seen on the Reykjanes Peninsula in Iceland.

However, considering only the surface heat of a volcano is not a sufficient parameter to try and predict an eruption. The late Maurice Krafft compared a volcano about to erupt with an ill or injured person: the fever goes up; the person has shivers, bad breath and the area around the injury inflates. It is the same with a volcano. It is very useful to measure the temperature, but seismicity, gas emissions and inflation should also be taken into account. The sole heat parameter is far from sufficient.

Image InSaR fournie le 1er mars 2021 par le satellite Sentinel-1. L’image montrait alors une intensification des déformations dans la zone la plus active d’un point de vue sismique.