Étiquette : interferogram

Interférogramme d’une intrusion magmatique // Interferogram of a magma intrusion

Du 31 janvier au 3 février 2024, une intrusion magmatique sur le flanc du Kilauea, au sud-ouest de la caldeira sommitale, a attiré l’attention du HVO. Des centaines de séismes ont annoncé l’arrivée d’un nouveau magma. L’intensité de l’activité sismique était semblable à celle qui a précédé les récentes éruptions sommitales du Kilauea,. En conséquence, le HVO à fait passer le niveau d’alerte volcanique et la couleur de l’alerte aérienne respectivement à Watch (Vigilance ) et à la couleur Orange. Après la diminution de l’activité sismique le 3 février, les niveaux d’alerte sont revenus à Advisory (surveillance conseillée) et à la couleur Jaune.
Outre la forte sismicité, une déformation significative a également été enregistrée lors de l’intrusion. Un interférogramme fourni par l’Agence spatiale italienne COSMO-SkyMed satellite a confirmé que la dernière intrusion était plus importante que les précédentes en octobre 2023 ou août 2021. Le modèle de déformation de l’interférogramme était celui d’une intrusion « classique » avec ouverture d’un dyke.
La morphologie du corps magmatique qui ouvre le dyke affecte le modèle de déformation du sol. Par exemple, une chambre magmatique sphérique provoque un mouvement vers l’extérieur et un soulèvement lorsqu’elle est en phase d’inflation. Le schéma de déformation provoqué par l’ouverture d’un dyke est complexe et consiste en un mouvement vers l’extérieur et vers le haut, tout en s’éloignant des côtés du dyke.
La visualisation de l’ouverture de dyke dans un interférogramme est compliquée à cause de la manière dont les interférogrammes enregistrent le mouvement du sol. Les franges (qui représentent un cycle arc-en-ciel) dans un interférogramme correspondent au mouvement entre le sol et le satellite (changement de portée) dans la « direction de visée » de l’instrument radar. Pour le satellite COSMO-SkyMed, une frange équivaut à 1,5 cm de changement de portée. Le satellite ne vise pas le sol à la verticale; au lieu de cela, il envoie les impulsions radar avec un angle d’environ 40 degrés par rapport à la verticale. Cela signifie que les mouvements horizontaux et verticaux se mélangent pour créer un « changement de plage ».
Dans l’interférogramme du 31 janvier au 1er février, les mouvements vers l’extérieur et vers le haut en direction du sud-est s’additionnent pour créer des franges denses. Les mouvements vers l’extérieur et vers le haut en direction du nord-ouest s’annulent quelque peu et donnent naissance à des franges moins denses. En effet, le mouvement vers le nord-ouest augmente le changement de portée, mais le mouvement vers le haut le diminue.
Si l’on regarde attentivement, les franges au sud-est progressent du rose au jaune puis au bleu, à mesure que l’on s’éloigne de la « cible » centrale. Les franges du côté nord-ouest progressent du bleu au jaune puis au rose, en s’éloignant de la cible dans cette zone. Cela signifie que le changement de portée augmente dans ce quadrant.
Entre les lobes colorés du sud-est et du nord-ouest, se trouve au milieu une zone de franges denses et discontinues. Il s’agit de la portion de terrain qui s’est affaissée au-dessus du dyke. C’est aussi une zone avec de nombreuses fissures en surface, c’est pourquoi il y a parfois un fort décalage dans les motifs des franges.
Pour un géophysicien, il s’agit un bel interférogramme. Non seulement à cause des motifs intéressants des franges arc-en-ciel, mais aussi parce que cela illustre parfaitement la manière dont les interférogrammes capturent le mouvement du sol via un changement de portée. C’est également une illustration classique de la déformation provoquée par l’intrusion d’un dyke, l’un des principaux processus liés à la migration du magma dans les volcans du monde entier.
Source : USGS HVO.

Interférogramme formé à partir des données collectées par l’agence spatiale COSMO-SkyMed satellite entre le 31 janvier à 18 heures et le 1er février à la même heure. Les franges colorées indiquent des zones de déformation du sol, avec un plus grand nombre de franges pour une zone de grande déformation. Chaque cycle de couleur représente 1,5 cm de mouvement du sol en approche ou en éloignement du satellite. En plus du modèle d’ouverture des dykes décrit dans le texte ci-dessus, cet interférogramme montre que le sommet du Kilauea s’est affaissé lorsque du magma a été envoyé dans l’intrusion.

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Autre nterférogramme fourni pat COSMO-SkyMed (CSK) et couvrant, en Islande, la période du 3 au 11 novembre 2023. Il montre le champ de déformation lié à l’intrusion d’un dyke dans l’après-midi du 10 novembre au sein du système volcanique Reykjanes-Svartsengi. (Source: IMO).

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From January 31st to February 3rd, 2024, a magma intrusion into Kilauea’s flank, southwest of the summit caldera, was the focus of attention at the Hawaiian Volcano Observatory (HVO). Hundreds of earthquakes announced the influx of new magma. The intensity of the seismic activity was similar to what preceded recent summit eruptions at Kilauea, prompting HVO staff to raise the volcano alert level and the aviation color code to Watch and Orange, respectively. After seismic activity decreased on February 3rd, the alert level was returned to Advisory/Yellow.

In addition to the large number of earthquakes, high rates of deformation were also recorded during the intrusion.

An interferogram acquired from the Italian Space Agency’s COSMO-SkyMed satellite confirmed that the recent intrusion was larger than previous ones in October 2023 or August 2021. The pattern of deformation in the interferogram had a “classic” dike-opening intrusion pattern.

The shape of the opening magma body affects what the pattern of ground deformation will be. For example, a spherical magma chamber will cause outward motion and uplift when it inflates. The deformation pattern from dike-opening is complicated and consists of outward and upward motion away from the broad sides of the dike.

Seeing a dike-opening pattern in an interferogram is made even more complicated by how interferograms record ground motion. The fringes (one rainbow cycle) in an interferogram represent motion between the ground and satellite (range change) in the “look direction” of the radar instrument. For the COSMO-SkyMed satellite, one fringe equals 0.6 of an inch of range change. The satellite does not look straight down at the ground; instead, it sends the radar pulses out at an angle about 40 degrees off-vertical.

This means that horizontal and vertical motion get mixed together to create “range change.”

In the January 31st to February 1st interferogram, outward and upward motion to the southeast add together to create dense fringes. However, outward and upward motion to the northwest cancel each other out somewhat and result in fewer fringes. This is because motion to the northwest increases range change, but upward motion decreases it.

If one looks carefully, the fringes to the southeast progress from pink to yellow to blue, as one proceeds away from the central “bullseye.” The fringes on the northwest side progress from blue to yellow to pink, away from the bullseye in that area. This means that range change is increasing in that quadrant.

In between the colorful lobes to the southeast and northwest, there is an area of dense and discontinuous fringes in the middle. This is the portion of ground that subsided above the dike. It’s also an area with lots of surface cracks, which is why there is sometimes a sharp offset in the fringe patterns.

To a geophysicist, this is a beautiful interferogram. Not just because of the interesting patterns of the rainbow fringes, but because it beautifully illustrates the unique way that interferograms capture ground motion via range change. It’s also a textbook illustration of deformation from a dike intrusion, one of the fundamental processes for magma migration at volcanoes around the world.

Source : USGS HVO.

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.

Comment lire un interférogramme // How to read an interferogram

Depuis le début des années 1990, les scientifiques utilisent des satellites radar pour cartographier les mouvements ou les déformations de la surface de la Terre. Le radar à synthèse d’ouverture interférométrique (InSAR) calcule la différence entre deux images radar acquises par un satellite en orbite, prises à des moments différents, mais concernant un même endroit sur Terre. Cette différence s’appelle un interférogramme; il s’agit d’une carte présentant une certaine ressemblance avec un arc-en-ciel sur laquelle apparaît la déformation de surface.
La déformation est un paramètre important pour surveiller l’activité des volcans hawaïens. En effet, la morphologie d’un volcan peut se modifier au gré des mouvements du magma dans leurs systèmes d’alimentation. Cela peut entraîner des déplacements de leurs pentes à cause de failles ou à cause de la gravité, en particulier lorsqu’ils subissent des changements internes de pression. Les interférogrammes, associés au GPS et aux tiltmètres, permettent aux scientifiques du HVO d’étudier le comportement d’un volcan lorsque sa morphologie est en train de changer.
Les interférogrammes couvrent de vastes étendues – l’ensemble de Big Island peut apparaître dans une seule scène radar! – et fournissent une précision centimétrique du mouvement du sol. Cependant, l’interprétation des interférogrammes est parfois compliquée. Voici quelques conseils pour les comprendre.
La différence de distance au sol entre deux passages d’un satellite, appelée phase interférométrique, est représentée par des franges ou des bandes de couleur dans un interférogramme. Cette différence inclut les déformations de la surface qui se sont produites entre les passages, mais elle est également influencée par l’incertitude des orbites des satellites, les ambiguïtés topographiques, les conditions atmosphériques et d’autres sources d’erreur. Tous ces paramètres contribuent à la phase interférométrique. Pour obtenir le vrai mouvement du sol, il faut compenser ces sources d’erreur.
La première étape de la lecture d’un interférogramme consiste à déterminer à quel moment la déformation s’est produite. Différents satellites utilisent différentes longueurs d’onde et permettent de contrôler l’ampleur de la déformation du sol représentée par frange colorée. Dans l’interférogramme présenté ci-dessous, le satellite utilisé est le système COSMO-SkyMed (CSK) de l’Agence spatiale italienne. La longueur d’onde du radar pour le CSK est la bande X (environ 3,3 centimètres de longueur totale). Étant donné qu’un interférogramme est créé à l’aide d’ondes radar qui se déplacent entre le satellite et la Terre, la déformation est calculée en fonction de la moitié de la longueur d’onde. Cela signifie que lors de la lecture d’un interférogramme CSK, une frange équivaut à 1,65 centimètre de changement entre les deux dates.
La deuxième étape consiste à compter les franges colorées afin de déterminer l’ampleur de la déformation indiquée dans un interférogramme. La déformation volcanique ayant souvent une forme concentrique, il faut donc commencer par l’extérieur du motif de franges et compter le nombre de cycles de couleur allant du bord de la zone déformée au centre. Il faut ensuite multiplier le nombre de franges colorées par la demi-longueur d’onde pour déterminer l’ampleur de la déformation.
La troisième étape consiste à déterminer si la surface s’est déplacée vers le haut ou le bas. Pour ce faire, lorsque l’on compte les franges de l’extérieur vers l’intérieur d’un motif concentrique, il faut noter le sens des changements de couleur. On regarde si le motif passe du bleu au violet et au jaune en allant vers le centre, ou du bleu au jaune et au violet. L’échelle de couleur au bas de l’image révèle que la tendance bleu-jaune-violet montre une hausse, ce qui signifie que, dans cet interférogramme, le sol se déplace vers le satellite; il y a donc une inflation. La séquence de couleurs doit toujours être définie sur une barre d’échelle dans l’interférogramme, ainsi que la demi-longueur d’onde, car tous les interférogrammes n’utilisent pas la même séquence de couleurs et tous les satellites radar n’ont pas la même longueur d’onde.
La dernière étape consiste à interpréter les informations collectées. Sur l’interférogramme CSK ci-dessous, il y a 3 franges colorées à l’intérieur de la caldeira du Kilauea, ce qui signifie que la surface dans cette région s’est déplacée vers le satellite; elle a gonflé d’environ 4,95 centimètres entre le 6 avril et le 2 juin 2019. Il faut se rappeler que les franges colorées incluent non seulement le déplacement, mais également d’autres influences, telles que les erreurs orbitales et les anomalies atmosphériques. Ce type d’anomalie est particulièrement répandu autour de hautes montagnes, comme le Mauna Loa et le Mauna Kea, et dans les zones de forte topographie, comme le flanc sud du Kilauea. Dans ce cas, les anomalies atmosphériques ne sont probablement pas un problème, car la zone de déformation est plus petite que la plupart des situations météorologiques. Les scientifiques compensent également les erreurs orbitales car ils connaissent très précisément les orbites des satellites. Cependant, des erreurs topographiques dues aux importants changements intervenus au sommet de Kilauea en 2018 pourraient introduire une certaine erreur dans la mesure. De plus, comme les satellites radar ne sont pas orientés directement vers la Terre, la déformation dans les interférogrammes est un ensemble de déplacements verticaux et horizontaux, bien que les changements verticaux soient généralement dominants.
Source: USGS, HVO.

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Since the early 1990s, scientists have used radar satellites to map movement or deformation of Earth’s surface. Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) calculates the difference between two radar images acquired by an orbiting satellite taken at different times but looking at the same place on Earth. This difference is called an interferogram and is essentially a ainbow-like map of surface deformation.
Deformation is an important parameter to monitor activity of Hawaiian volcanoes. Indeed, volcanoes can change their shape as magma moves in and out of their plumbing systems, as their slopes shift on faults or because of gravity, and when they have internal changes in pressure. Interferograms, together with GPS and tilt, help HVO scientists study the behaviour of a volcano when its morphology is changing.
Interferograms cover large areas of land – the whole Big Island can fit into a single radar scene! – and provide centimetre-scale accuracy of ground motion. However, interferograms can be tricky to read. Here are a few tips to understand them.
The difference in the distance to the ground between two satellite passes, known as the interferometric phase, is shown as fringes or bands of colour in an interferogram. This difference includes deformation of the surface that occurred between passes, but it is also influenced by uncertainty in satellite orbits, topographic ambiguities, atmospheric conditions, and other sources of error. These all contribute to the interferometric phase. To get at the true movement of the ground, you have to compensate for these sources of error.
The first step in reading an interferogram is to determine when the deformation occurred. Different satellites use different wavelengths, and that controls the amount of ground deformation represented per coloured fringe. In the interferogram shown here below, the satellite used is the Italian Space Agency’s COSMO-SkyMed (CSK) system. The radar wavelength for CSK is X-band (approximately 3.3 centimetres in total length). Because an interferogram is made using radar waves that travel to Earth from the satellite and back, the deformation is calculated in terms of half the wavelength. This means that when reading a CSK interferogram, one fringe is equal to 1.65 centimetres of change between the two dates.
Step two is to count the coloured fringes to determine the amount of deformation shown in an interferogram. Volcanic deformation is often concentric in shape, so start on the outside of the fringe pattern and count the number of colour cycles from the edge of the deformed area to the center. Multiply the number of coloured fringes by the half wavelength to determine the magnitude of the deformation.
Step three is to determine if the surface moved up or down. To do this, as you count fringes from the outside to the inside of a concentric pattern, note the sense of colour changes. Look if the pattern goes blue-purple-yellow in towards the centre, or blue-yellow-purple. The colour scale at the bottom of the image reveals that blue-yellow-purple is an increasing trend, which in this interferogram, means that the ground is moving towards the satellite—it is inflating! The colour sequence should always be defined on a scale bar in the interferogram, along with the half wavelength, because not all interferograms use the same colour sequence, and not all radar satellites have the same wavelength.
The last step is to interpret the information you have collected. On the CSK interferogram shown here, there are 3 coloured fringes inside the Kilauea Caldera, which means that the surface within this region moved towards the satellite, or inflated, by about 4.95 centimetres between April 6th and June 2nd, 2019. One should remember that the coloured fringes include not just displacement, but also other influences, like orbital errors and atmospheric anomalies. These sorts of anomalies are especially prevalent around tall mountains, like Mauna Loa and Mauna Kea, and areas of very steep topography, like the south flank of Kīlauea. In this case, atmospheric anomalies are probably not an issue, since the area of deformation is smaller than most weather patterns. Scientists also compensate for orbital errors, since they know the satellite orbits very precisely. However, topographic errors due to the massive changes that took place at the summit of Kilauea in 2018 might introduce a small amount of error to the measurement. Besides, because radar satellites don’t look straight down on Earth, the deformation in interferograms is a combination of vertical and horizontal displacements, although vertical changes usually dominate.
Source: USGS, HVO.

 

Interférogramme COSMO-SkyMed (CSK) couvrant la zone sommitale du Kilauea entre le 6 avril et le 2 juin 2019. Chaque frange de couleur représente 1;65 centimètre de déplacement du sol. Les franges de couleur les plus resserrées à l’intérieur de la caldeira indiquant une inflation bien localisée, alors que les franges les plus espacées dans la partie NO de la caldeira indiquent une faible inflation dont le centre se trouve à proximité du Jaggar Museum. Chaque cycle de couleur ou frange à l’intérieur de la caldeira a été doté de nombres en blanc sur l’interférogramme; ils font référence à un ensemble de 3 franges correspondant à un déplacement de 3 X 1,65= 4,95 cm. Ces données ont été fournies par l’agence Spatiale Italienne pour permettre au HVO d’effectuer des mesures de contrôle du Kilauea.
Vous trouverez une image haute résolution à cette adresse:
http://bigislandnow.com/wp-content/uploads/2019/06/VolcanoWatch_20June_Graphic.png

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COSMO-SkyMed interferogram (CSK) covering the summit area of Kilauea between April 6th and June 2nd, 2019. Each colour fringe represents 1.65 centimetres of ground movement. The closely spaced colour fringes within the caldera indicate well-localized inflation, while the broader fringes in the NW portion of the caldera indicate minor inflation centered near the Jaggar Museum. Each colour cycle or fringe inside the caldera has been given white numbers on the interferogram; they refer to a set of 3 fringes corresponding to 3 X 1.65 = 4.95 cm of displacement. This data was provided by the Italian Space Agency to help HVO to carry out Kilauea monitoring measures.
You will find a high resolution image at this address:
http://bigislandnow.com/wp-content/uploads/2019/06/VolcanoWatch_20June_Graphic.png