La technologie InSAR au service des volcans // InSAR technology to monitor volcanoes

En mars et décembre 2015, j’ai rédigéé plusieurs notes à propos de l’utilisation de la technologie InSAR en volcanologie, en particulier pour contrôler les déformations des Champs Phlégréens (Italie) et du Kilauea (Hawaii). Aujourd’hui, un article publié par l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (le HVO) aborde à nouveau ce sujet.

Les satellites sont devenus essentiels pour surveiller les volcans actifs. En particulier, ils permettent de garder un oeil sur des volcans difficiles d’accès, et ils offrent des perspectives impossibles à obtenir depuis le sol. Les satellites en orbite autour de la Terre peuvent fournir des images classiques d’un lieu, mais également des images thermiques. Ils peuvent aussi mesurer des quantités et des types de gaz, des changements de gravité et de topographie.
Une avancée majeure a été l’arrivée de l’InSAR (Radar interférométrique à synthèse d’ouverture) pour mesurer de petites variations de surface du sol sur un édifice volcanique. Les satellites radar à synthèse d’ouverture (RSO) envoient à intervalles réguliers des ondes radar qui rebondissent sur la Terre et reviennent vers le satellite. Il faut deux ensembles d’ondes concernant la même zone pour mesurer les changements dans le temps. S’il n’y a pas eu de changement de forme du volcan pendant le laps de temps entre les images, les signaux parcourent la distance dans le même laps de temps. Cependant, si le volcan a changé au cours de processus d’inflation ou de déflation, il sera plus proche ou plus éloigné dans la deuxième image. Il faudra donc plus de temps à l’onde radar pour parcourir la distance entre le satellite et le sol, puis revenir au satellite.
En attribuant à deux ondes décalées une couleur basée sur la taille du décalage, on obtient un ensemble unique de couleurs en bandes qui représentent le nombre de longueurs d’onde séparant les deux images. C’est ainsi que se conçoivent les interférogrammes. Les anneaux concentriques de couleur montrent le niveau d’inflation ou de déflation de la surface d’un volcan.
Si l’InSAR est utile pour surveiller les mouvements à la surface d’un volcan, les scientifiques sont parfois confrontés à des difficultés. Les images InSAR recueillies à partir d’un satellite sont souvent perturbées par des signaux liés aux changements de l’atmosphère terrestre entre les passages du satellite. Ce « bruit atmosphérique » est particulièrement apparent avec les changements de topographie. Sur les volcans actifs très hauts, comme le Mauna Loa, les flancs pentus peuvent amplifier les signaux atmosphériques, laissant supposer à tort qu’un changement significatif s’est produit.

À première vue, l’image de gauche (A) pourrait sembler montrer une inflation simultanée du Mauna Kea et du Mauna Loa. Cependant, on sait, grâce aux instruments GPS du HVO, que le Mauna Kea ne montre pas de déformation significative. Les scientifiques peuvent donc conclure que les signaux InSAR sur le Mauna Loa ne sont probablement pas fiables dans ce cas précis. L’image B est un autre exemple d’interférogramme InSAR avec un bruit atmosphérique important. Une légère déformation du Mauna Loa et la zone de rift sud-est du Kilauea est visible sur ces images, mais reste difficile à discerner du bruit atmosphérique.

Une autre méthode consiste à comparer plusieurs images InSAR. Les satellites RSO capturent des images dans les directions ascendante (vers le nord) et descendante (vers le sud) lorsqu’ils orbitent autour de la Terre. En créant une deuxième image InSAR, avec le même laps de temps, mais à partir de différentes « directions de visée » RSO, il est possible de comparer deux interférogrammes du même événement. Si la déformation est réelle sur la zone étudiée, les deux images InSAR provenant de directions opposées montrent des niveaux de mouvement similaires.
Les scientifiques du HVO utilisent constamment les satellites et d’autres outils pour analyser le mouvement du magma dans les volcans d’Hawaii afin d’essayer d’identifier les signes d’éruptions imminentes.
Source : USGS/HVO.

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In March and December 2015, I wrote several posts about the use of InSAR technology in volcanology, in particular to monitor deformations of the Phlegraean Fields (Italy) and Kilauea (Hawaii). Today, an article published by the Hawaii Volcano Observatory (HVO) addresses this subject again.

Satellites have become one of the fundamental tools used to monitor active volcanoes. In particular, they allow to monitor volcanoes that are otherwise hard to access and provide perspectives that are not possible to get from the ground. Satellites orbiting the Earth can provide normal “pictures” of a place, but can also provide thermal images, measure amounts and types of gases, changes in gravity and topography.

One of the most revolutionary advances has been the use of InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) to measure small changes in shape over an entire volcano. Synthetic Aperture Radar (SAR) satellites send timed radar waves that bounce off the Earth back to the satellite. It takes two sets of waves of the same area to measure change over time. If there has been no change to the volcano for the time between images, the signals travel the distance in the same amount of time. However, if the volcano has changed by either inflating or deflating, the volcano will be closer or further away in the second image. It will take more time for the radar wave to travel the distance from satellite to the ground, then back to the satellite.

If the difference between two offset waves are assigned a color based on the size of the offset, they produce a unique set of banded colors that represent the number of wavelengths separating the two images. This process produces interferograms. Concentric rings of color relate to the amount of surface inflation or deflation of a volcano.

While InSAR is useful for monitoring volcanic motions, it is not without problems. The nature of how InSAR images are gathered from a radar satellite often unintentionally captures signals associated with the changes in the Earth’s atmosphere between satellite passes in addition to ground surface change. This additional “atmospheric noise” is especially apparent with changes in topography. At active volcanoes that are very tall, like Mauna Loa, the sloping flanks can magnify atmospheric signals, falsely suggesting that significant change has occurred.

At first glance, the left image (A) above could seem to show both Mauna Kea and Mauna Loa inflating at the same rate simultaneously. However, we know from the HVO GPS instruments that Mauna Kea shows no evidence for significant deformation, so scientists can conclude that the InSAR signals on Mauna Loa are mostly likely unreliable in this specific instance. Image B is another example of an InSAR interferogram with heavy atmospheric noise. Some slight deformation on Mauna Loa and the Southeast Rift Zone of Kilauea is visible in these images, yet still hard to discern from the atmospheric noise.

Another method is to compare multiple InSAR images. SAR satellites capture images in both ascending (traveling northward) and descending (traveling southward) directions as they orbit the planet. By creating a second InSAR image, with the same time span, but from different SAR “look directions,” it is possible to compare two interferograms of the same event. If the deformation is real over the survey area, then both InSAR images from opposing directions would show similar rates of motion.

HVO scientists are constantly using these and other tools to track the movement of magma within Hawaii’s volcanoes in order to identify the warning signs of impending eruptions.

Source: USGS / HVO.

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.