La géodésie en volcanologie // Geodesy in volcanology

L’analyse du comportement d’un volcan met en oeuvre plusieurs paramètres, et donc plusieurs types d’instruments. Un article récemment mis en ligne par l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) explique le rôle joué par la géodésie pour mesurer les déformations du sol provoquées par les mouvements du magma dans les profondeurs de la Terre.
Les résultats des levés effectués après le séisme de magnitude M 7,9 à San Francisco en 1906, avec les bouleversements subis par les clôtures et les limites de propriété, ont fait comprendre l’importance de la géodésie pour interpréter les mouvements des failles, et favorisé son entrée dans les sciences de la terre.
Aujourd’hui, un géodésiste s’appuie essentiellement sur le système GPS, sans oublier pour autant les inclinomètres de forage et l’interférométrie radar (InSAR).
La géodésie sur un volcan consiste à effectuer plusieurs levés pour détecter les déplacements éventuels de points de repère. Lors de l’ascension du magma à l’intérieur d’un édifice volcanique, la roche environnante est logiquement poussée vers le haut. Toutefois, lorsque les scientifiques mesurent la position des points de repère, ils se rendent également compte que ces points s’écartent de la source magmatique. Aujourd’hui, les instruments installés en permanence sur un volcan contrôlent en permanence les points de repère afin de pouvoir détecter le moindre  mouvement du sol en quelques minutes.
Le développement et la maintenance du réseau permanent est l’un des travaux les plus importants de l’équipe géodésique du HVO. Ce réseau permanent comprend plus de 60 stations GPS et 16 inclinomètres. Les données fournies sont essentielles pour l’évaluation des risques. En particulier, les inclinomètres, qui sont ides instruments extrêmement sensibles, sont souvent les premiers à indiquer l’inflation de l’édifice volcanique lors de sa mise sous pression par le magma.
L’équipe géodésique du HVO est responsable de l’analyse et de l’interprétation des données fournies par les instruments qui fonctionnent parfaitement grâce à d’autres membres du personnel de l’Observatoire. Les ingénieurs construisent, installent et entretiennent les instruments utilisés sur le terrain. Les informaticiens s’assurent que les ordinateurs communiquent correctement avec les sites éloignés à partir desquels les données sont transmises et que tout fonctionne normalement pour analyser les données.
Outre le réseau géodésique permanent, des campagnes sont organisées chaque année pour collecter des données de référence supplémentaires à l’aide de stations GPS temporaires. Quelque 80 repères sont contrôlés chaque année pendant 2 ou 3 jours pour déterminer leurs variations annuelles de position. Dans certaines zones, ces levés permettent au HVO de déterminer plus précisément les variations de déformation sur plusieurs années.
Pour mieux interpréter les données, les géodésistes utilisent des modèles informatiques qui prévoient de manière simplifiée – avec des sphères ou des ellipsoïdes – le mouvement de la surface de la terre en fonction de l’expansion ou de la contraction des corps magmatiques. On utilise ces formes simples car elles correspondent convenablement aux données et sont moins longues à calculer que les corps de forme irrégulière. Le temps est important car plusieurs milliers de calculs sont utilisés pour tester différents modèles.

Le modèle le mieux adapté montre aux scientifiques la zone la plus probable où se déplace le magma, l’endroit où il s’accumule et donc le lieu où  il est proche de la surface et susceptible de déclencher une éruption. Cependant, les seules données géodésiques ne suffisent pas à donner une image complète d’un volcan. Elles doivent être interprétées conjointement avec des données géologiques, sismiques et gazières. C’est pour cela que les différentes équipes du HVO se réunissent pour élaborer des hypothèses sur l’activité du moment, le niveau de danger et les scénarios futurs.
Source: USGS / HVO.

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Analysing the behaviour of a volcano involves several parameters, and so several types of instruments. A recent article released by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explains the part played by geodesy to measure ground movements and deformation caused by magma in the depths on the Earth.

Results from surveys after the 1906 M 7.9 San Francisco earthquake, which offset fence lines and property boundaries, had a profound impact on researchers’ understanding of how faults move and favoured the entrance of geodesy into the earth sciences.

Today, a geodesist relies essentially on Global Positioning System (GPS) instruments, without forgetting borehole tiltmeters and satellite radar (InSAR).

Geodesy on a volcano consists in performing multiple surveys to determine how benchmark positions have changed. As magma moves into a volcano, the surrounding rock is pushed outward. When scienntists measure positions of benchmarks on the surface of the volcano, they also realise that they have also been pushed away from the magma source. Today, permanently installed instruments constantly monitor benchmark positions so that ground motion can be detected within minutes.

Growing and maintaining HVO’s permanent geodetic instrument network is one of the deformation group’s most important jobs. This permanent network consists of over 60 GPS stations and 16 tiltmeters, and data from it are critical for hazard assessment. In particular, tiltmeters, which are incredibly sensitive to changes in ground slope, are often the first indicator of inflation as a volcano pressurizes.

While HVO’s deformation group is responsible for analyzing and interpreting the data, it takes many others to keep the network running. HVO’s field engineers build, install, and maintain the field instruments. Information Technology staff ensure that computers can communicate with remote sites from which data are transmitted and that everything is OK to analyze the data.

Beside the permanent geodetic network, annual campaigns are organised to collect additional benchmark data using temporary GPS stations. Around 80 benchmarks are surveyed each year for 2-3 days to determine yearly changes in position. These surveys provide a higher density of measurements in certain areas, enabling HVO to more precisely determine deformation patterns over many years.

To help interpret the data, geodesists use computer models that calculate the expected motion at the earth’s surface due to expansion or contraction of magma bodies with simplified shapes, such as spheres or ellipsoids. Simple shapes are used because they adequately match the data and are less time-consuming to calculate than irregularly shaped bodies. Time is important because many thousands of calculations are used to test different models.

The best-fitting model shows scientists the most likely place that magma is moving into or out of the volcano, as well as where magma is accumulating and how close it is to the surface. However, no single type of data gives the whole picture of a volcano, so geodetic data needto be interpreted along with geologic, seismic and gas data. HVO’s different teams come together as a whole to develop sound hypotheses for current activity, hazard levels, and future scenarios.

Source : USGS / HVO.

Exemple d’utilisation d’une station GPS temporaire pour mesurer les déformations du Kilauea (Source : USGS / HVO)

Lacs et légendes sur le Kilauea (Hawaii) // Lakes and legends on Kilauea Volcano (Hawaii)

Après la dernière éruption du Kilauea en 2018, un lac d’eau souterraine est apparu au fond du cratère de l’Halema’uma’u et a remplacé le lac de lave qui existait depuis plusieurs années. Le HVO explique qu’il s’agit du premier lac d’eau souterraine observé au fond du cratère depuis près de 200 ans. Afin d’en savoir plus sur de tels lacs dans l’histoire du volcan, le personnel du HVO s’est tourné vers les légendes hawaiiennes susceptibles de faire état d’un lac de cratère, et a essayé de comprendre si un tel lac était associé à des éruptions explosives.
L’existence d’un lac n’est pas mentionnée explicitement dans les légendes hawaiiennes, mais les Hawaiiens racontent des histoires où Pelehonuamea redoutait la noyade de ses épanchements de lave sur le Kilauea.

Dans l’une des légendes, Pele et sa sœur Namakaokaha’i, l’aînée d’une famille de nombreux frères et sœurs, étaient dotées de pouvoirs différents; Pele régnait sur les volcans et les éruptions alors que Namakaokaha’i régnait sur les mers et les plages.
Namaka, comme ses amis l’appelaient, détestait quand Pele répandait de la lave sur les plages et pénétrait dans l’océan. Pele n’appréciait pas non plus que Namaka essaie de retirer la lave des côtes. Elles se battaient fréquemment. Même aujourd’hui, on peut voir ces deux sœurs continuer à se battre au travers des explosions spectaculaires chaque fois que la lave pénètre dans l’océan.

Kamapua’a, la divinité porcine d’O’ahu, qui s’est rendue un jour sur le Kilauea pour courtiser Pele et la prendre pour épouse, est au centre d’une autre légende dans laquelle l’eau est présente. Pele a constamment rejeté les avances de Kamapua’a, l’insultant et essayant même de le tuer. L’empressement de Kamapua’a s’est transformé en colère et le porc a inondé d’eau le cratère de Pele, dans l’espoir d’y éteindre le feu du volcan. Heureusement, le frère de Pele avait caché les bâtons de feu et les a utilisés pour faire réapparaître la lave.

Certaines versions de cette légende décrivent Pelé en train de poursuivre Kamapua’a jusqu’à la mer sous la forme d’une coulée de lave ou d’une projection de roches incandescentes; d’autres récits font se terminer le conflit par un bref mariage.

Une légende plus connue est celle qui fait entrer Hi’iakaikapoliopele, la plus jeune sœur de Pele. Il s’agit d’une longue histoire en grande partie centrée sur le voyage de Hi’iaka entre le cratère du Kilauea et Kaua’i où elle avait l’intention de retrouver Lohi’au, l’amant de Pele et de le prendre pour époux. En chemin, Hi’iaka est devenue une femme puissante.
Le voyage a été long et Pelé craignait que Lohi’au lui soit infidèle. Elle avait raison de ressentir cette crainte. Quand Hi’iaka est arrivée au bord du cratère du Kilauea en compagnie de Lohi’au, son nouveau mari, Pele est entrée dans une colère noire et a ordonné à ses frères et sœurs de tuer Lohi’au en guise de punition. Hi’iaka s’est mise elle aussi en colère et elle a décidé de récupérer l’esprit de son époux pour le ramener à la vie ; Elle décida aussi de se venger et de détruire Pele en inondant le cratère du Kilauea avec de l’eau.
Hi’iaka est entrée sur le plancher du cratère et, ne trouvant pas l’esprit de son mari, elle a violemment frappé le sol du pied, faisant s’ouvrir la première couche du Kilauea. Elle regarda dans l’ouverture qui s’était formée et, ne voyant toujours pas son mari, elle frappa de nouveau le sol. Elle traversa plusieurs couches sans trouver l’esprit de Lohi’au. Les secousses produites par les piétinements répétés de Hi’iaka pour s’enfoncer à l’intérieur du cratère ressemblent étrangement à la forte activité sismique qui a accompagné l’effondrement de l’Halema’uma’u en 2018. Hi’iaka a finalement atteint la cinquième couche, celle qui retenait l’eau qui, si elle était libérée, inonderait le cratère et transformerait le Kilauea en un lac qui éteindrait à jamais le feu de Pelé. Au dernier moment, Hi’iaka a décidé de ne pas mettre à exécution son projet destructeur et elle s’est finalement réconciliée avec sa sœur.
Hi’iaka cherchait l’eau souterraine, la même que l’on peut voir aujourd’hui au fond de l’Halema’uma’u. Des études géophysiques au cours des 30 à 40 dernières années ont montré la présence d’une nappe phréatique à environ 600-800 mètres au-dessus du niveau de la mer, sous le plancher de la caldeira. Les scientifiques du HVO sont persuadés que le lac actuellement en formation est alimenté par cette eau souterraine qui revient à son ancien niveau après l’effondrement sommital de 2018.
Les géologues du HVO pensent que la légende de Hi’iaka et de Pele peut avoir été inspirée par un effondrement de la caldeira du Kilauea vers l’année 1500. Bien que dans la plupart des versions de ces légendes – que ce soit le déluge de Kamapua’a qui n’a pas provoqué d’explosions, ou la courroux d’Hi’iaka qui n’a jamais fait déferler d’eau souterraine – l’’étude géologique des dépôts de matériaux après l’effondrement de l’Halema’uma’u laisse supposer qu’il y a eu au moins une fois la présence intermittente d’un lac dans le cratère.

Ces légendes ne sont que quelques exemples de la richesse de la littérature hawaïenne sur Pelehonuamea et ses volcans. Parallèlement aux études géologiques, ces récits peuvent aider à mieux comprendre le paysage volcanique en constante évolution sur le Kilauea.
Source: USGS / HVO.

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After Kilauea’s last eruption in 2018, a groundwater lake appeared at the bottom of Halema’uma’u Crater and replaced the lava lake that existed for several years. HVO explains it is the first lake of groundwater observed on the crater floor in nearly 200 years. In order to know more about similar lakes in the volcano’s history, HVO staff looked to Hawaiian chants for mention of a crater lake and tried to understand whether it was associated with explosive eruptions.

A lake is not mentioned explicitly in Hawaiian legends, but Hawaiians did tell a few stories where Pelehonuamea faced the threat of water drowning her volcanic fires at Kilauea.

In one of the legends, Pele and her older sister Namakaokaha’i, the eldest in a family of many siblings, were imbued with different powers; Pele reigned over volcanoes and eruptions wheras Namakaokaha’i ruled the seas and beaches.

Namaka, as her friends used to call her, hated when Pele spread lava over beaches and intruded land into the ocean. Pele did not appreciate either Namaka trying to remove lava from the coasts. They fought frequently. Even today, we can see these two sisters continuing to fight with spectacular explosive displays each time lava enters the ocean.

Another Pele story involving water features Kamapua’a, the pig deity from O’ahu, who travelled to Kilauea to woo Pele and take her for his wife. Pele persistently spurned his advances, insulting him and even trying to kill him. Kamapua’a’s infatuation turned into anger, and the pig-man flooded Pele’s crater with water to put out her volcanic fires.

Fortunately, Pele’s brother hid her firesticks and used them to reignite the volcanic flames. Some versions of this story describe Pele chasing Kamapua’a to the sea as either a lava flow or ejected hot rocks; other versions resolve the conflict in a brief marriage.

A better-known story is the saga of Hi’iakaikapoliopele, Pele’s youngest sister. It’s a long story mostly focused on Hi’iaka’s journey from Kilauea Crater to Kaua’i to retrieve Pele’s lover, Lohi’au. Along the way, Hi’iaka developed into a powerful woman.

The journey was long, and Pele became suspicious that Lohi’au was being unfaithful to her.

When Hi’iaka arrived at the Kilauea Crater rim with her new husband, Lohi’au, Pele was incensed and ordered her siblings to kill him as punishment. This enraged Hi’iaka and she decided to retrieve Lohi’au’s spirit to revive him, and to seek revenge and destroy Pele by flooding Kilauea Crater with water.

Hi’iaka jumped down to the crater floor, and not finding the spirit of her husband, stomped her feet and the first layer of Kilauea cracked open. She looked down, but still not seeing her husband, she stomped again. She continued stomping through several layers without finding her husband’s spirit. The described effects of Hi’iaka repeatedly stomping to get deeper beneath the crater floor are eerily like the continuous strong shaking of the 2018 collapse events. Hi’iaka finally got down to the fifth layer that was holding back water, which, if released, would rise and flood the crater, turning Kilauea into a lake and putting out Pele’s fires forever. At the last instant, Hi’iaka was dissuaded from her destructive task and reconciled with her sister.

Hi’iaka was seeking groundwater like that which can be seen in Halema’uma’u today. Geophysical studies over the past 30-40 years showed the presence of a water table, elevated about 600-800 m above sea level, beneath the caldera floor. HVO scientists hypothesize that the currently growing lake is an exposure of this groundwater returning to its former level following the 2018 summit collapse.

HVO geologists think this Hi’iaka story may have been inspired by an earlier Kilauea caldera collapse about 1500 CE. Although in most versions of the story Kamapua’a’s deluge did not result in explosions and Hi’iaka never unleashed subterranean water, geologic study of post-collapse explosive deposits suggests at least an intermittent presence of a lake.

These legends are but a few from the rich Hawaiian literature on Pelehonuamea and her volcanoes. Along with geologic studies, they can provide insight to understanding the ever-changing volcanic landscape of Kilauea.

Source: USGS / HVO.

Photos: C. Grandpey

Eruptions phréatiques // Phreatic eruptions

Une éruption phréatique se produit lorsque le magma porte à très haute température l’eau souterraine ou l’eau de surface. La température très élevée du magma provoque une vaporisation quasi instantanée de l’eau. La surpression de la vapeur déclenche une explosion avec émission de gaz et projections de boue, de cendre, de roches et de bombes volcaniques. En consultant les archives volcaniques, j’ai découvert plusieurs éruptions phréatiques au 20ème siècle. Les plus meurtrières sont décrites dans mon livre Killer Volcanoes.

Une éruption phréatique a été observée dans le cratère de l’Halema’uma’u du Kilauea (Hawaï) en mai 1924. Une série d’explosions a propulsé des colonnes de cendresà 6 km de hauteur et projeté des blocs pesant parfois plusieurs tonnes jusqu’à 800 mètres du cratère. L’intensité des explosions a culminé le 18 mai. Un homme a été mortellement blessé par la chute d’un bloc lorsqu’il s’est aventuré trop près pour photographier le cratère entre les explosions, malgré les mises en garde.

À 7h15 (GMT) le 14 novembre 1963, des explosions phréatiques – ou phréatomagmatiques – ont généré des colonnes de cendre noire cypressoïdales au large de la côte sud de l’Islande. À 11 heures le même jour, la colonne éruptive atteignait plusieurs kilomètres de hauteur. Au début, les éruptions ont eu lieu sur trois bouches indépendantes le long d’une fissure orientée NE / SW, mais dans l’après-midi, les colonnes éruptives ont fusionné en une seule le long de la fissure éruptive. L’éruption a duré jusqu’au 5 juin 1967. Ce fut la naissance de Surtsey, du nom de Surtr, un géant symbolisant le feu dans la mythologie nordique.

Une éruption phréatomagmatique modérément violente a secoué le Taal (Philippines) du 28 au 30 septembre 1965. Les principales explosions phréatiques ont ouvert un nouveau cratère de 1,5 km de long et 0,3 km de large du côté sud-ouest de Volcano Island dans le lac Taal. Les projections vomies par l’éruption ont couvert une zone d’environ 60 kilomètres carrés avec une épaisseur de cendre de plus de 25 centimètres. L’éruption a tué quelque 200 personnes.

En 1976 une grande activité sismique a précédé une éruption phréatique à la Soufrière de la Guadeloupe. Elle a provoqué l’évacuation de 73 600 habitants. Il n’y a eu aucune victime, mais l’événement a été marqué par une violente confrontation très médiatisée entre Claude Allègre et Haroun Tazieff sur l’opportunité d’une évacuation. Par prudence, le préfet a finalement décidé d’évacuer, mais aucune éruption majeure n’a eu lieu.

Une éruption phréatique a secoué le Mont Tarumae (Japon) en 1982.

Le 27 septembre 2014, le Mont Ontake (Japon) est entré brusquement en éruption. Il n’y a pas eu de sismicité significative pour avertir les autorités qu’une éruption phréatique allait se produire. Soixante-trois personnes ont été tuées; cinq corps n’ont pas été retrouvés.

Une éruption phréatique a été observée sur le Mayon (Philippines) le 7 mai 2013. Le volcan a expulsé un nuage de cendre et de blocs. L’explosion a surpris un groupe de randonneurs sur le volcan. Quatre touristes allemands et leur guide ont été tués. Au moins sept autres randonneurs ont été blessés lors de l’éruption, qui a duré à peine plus d’une minute. Une vingtaine de personnes s’approchaient du sommet lorsque l’éruption s’est produite.

White Island (Nouvelle-Zélande) est la première éruption phréatique du 21ème siècle. Elle a tué 18 touristes et blessé des dizaines d’autres. 47 personnes visitaient le cratère lorsque l’événement a eu lieu.

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L’observation de ces archives appelle plusieurs réflexions. S’agissant de la prévision, les bilans des dernières éruptions phréatiques confirment que nous ne savons toujours pas prévoir ces phénomènes éruptifs particulièrement soudains. S’agissant de la prévention, on constate que ce sont les derniers événements, ceux qui impliquent le plus de touristes, qui ont les bilans les plus lourds. Une conclusion logique serait de dire qu’il faut interdire aux touristes l’accès de ces volcans dangereux. Prenant l’exemple de la la dernière éruption de White Island, je ne suis pas certain que l’accès au volcan sera interdit pendant plusieurs années ou même plusieurs mois. Le tourisme de masse fait entrer tellement d’argent dans les caisses qu’il sera difficile de résister à la pression des agences et autres structures touristiques pour lesquelles le fric passe avant la sécurité des gens, malgré le risque de se retrouver sur le banc des accusés en cas de pépin.

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La police néo-zélandaise a déclaré que les corps des deux personnes disparues – un guide local et un touriste australien – après l’éruption de White Island pourraient ne jamais être retrouvés. Le mauvais temps a entravé les recherches qui vont désormais être réduites. La police pense que les deux corps ont été emportés dans la mer par un cours d’eau généré par l’éruption. Par respect pour les proches de ces deux personnes et les implications culturelles autour de la présence probable de tūpāpaku [personnes décédées] dans la moana [l’océan], le rāhui [l’interdiction] mise en place sur les lieux de pêche au large de la côte de White Island sera maintenue  jusqu’à nouvel ordre, malgré les protestations des pêcheurs pour lesquels l’interdiction représente une perte financière. .

Source : New Zealand Herald.

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 A phreatic eruption occurs when magma heats ground water or surface water. The very high temperature of the magma causes near-instantaneous evaporation of water to steam whose overpressure triggers an explosion of gas, mud, ash, rock, and volcanic bombs. Looking at the volcanic archives, I discovered a few phreatic explosions in the 20th century. The most deadly ones are described in my book Killer Volcanoes.

A phreatic eruption was observed at Kilauea’s Halema’uma’u Crater (Hawaii) in May 1924. A series of explosions sent ash columns 6 km into the air and hurled boulders weighing sometimes several tons as far as 800 metres from the crater. The intensity of the explosions peaked on May 18th, when the largest ones occurred. A man was fatally injured by a falling boulder when he ventured too close to photograph the crater between bursts, despite warnings of an impending explosion.

At 07:15 (UTC) on November 14th, 1963, phreatic – or phreatomagmatic – explosions generated black cypressoid columns of ash off the south coast of Iceland By 11:00 the same day, the eruption column had reached several kilometres in height. At first the eruptions took place at three separate vents along a NE/SW trending fissure, but by the afternoon the separate eruption columns had merged into one along the erupting fissure. The eruption lasted until June 5th 1967. This was the birth of Surtsey, named after Surtr, a fire giant from Norse mythology.

A moderately violent phreatomagmatic eruption of Taal Volcano (Philippines) occurred from September 28th to 30th, 1965. The main phreatic explosions opened a new crater 1.5 km long and 0.3 km wide on the southwest side of Volcano Island in Lake Taal. The eruption covered an area of about 60 square kilometres with a blanket of ash more than 25 centimetres thick and killed approximately 200 persons.

In 1976 a large amount of seismic activity that led to a phreatic eruption at Soufrière Volcano (Guadeloupe). It caused a mass evacuation of 73,600 residents. There were no fatalities but a bitter, and well-publicized, controversy between scientists Claude Allègre and Haroun Tazieff on whether an evacuation should occur. The prefect finally decided to evacuate, erring on the side of prudence. However, no major eruption took place.

A phreatic eruption shook Mount Tarumae (Japan) in 1982.

On September 27th, 2014, Mount Ontake (Japan) duddenly erupted. There was no significant seismicity to warn the authorities that a phreatic eruption was about to happen. Sixty-three people were killed; five bodies remain un-recovered.

A phreatic eruption was observed at Mount Mayon (Philippines) on May 7th, 2013. The volcano sent a cloud of ash and rocks into the sky. The explosion caught a group climbing the mountain. Four German hikers and their guide were killed. At least seven other climbers were hurt in the eruption, which lasted for just over a minute. Twenty people were approaching the summit of the mountain when the eruption occurred.

White Island (New Zealand) is the first phreatic eruption of  the 21st century. It killed 18 tourists and injured tens of others. 47 people were visiting the crater when the eruption took place.

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The observation of these archives calls for several conclusions. With regard to prediction, the results of the last phreatic eruptions confirm that we are still unable to predict these sudden eruptive phenomena. As far as prevention is concerned, we can see that the latest events, those which involve the most tourists, lead to the heaviest death tolls. A logical conclusion would be to say that tourists should be denied access to these dangerous volcanoes. Taking the example of the last White Island eruption, I’m not sure that access to the volcano will be denied for several years or even months. Mass tourism brings so much money into the coffers that it will be difficult to resist the pressure of agencies and other tourist structures for which money comes before the safety of people, despite the risks of going to court if something goes wrong.

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The NZ police has said that the bodies of the two missing persons – a local guide and an Australian tourist – after the White Island eruption may never be found. Days of bad weather have hampered search efforts that are beginning to be scaled down. Police believe that the two missing bodies may have been washed out to sea after slipping into a stream on the volcano and being carried down to the water.

Out of continued respect for those yet to be returned to their loved ones, and the cultural implications around the likely presence of tūpāpaku [deceased] in the moana [ocean], the rāhui [ban] placed on the fishing grounds off the coast of White Island will remain in place until further notice, despite complaints from commercial fishermen.

Source: New Zealand Herald.

Vue de l’éruption phréaromagmatique de Surtsey en 1963

Volcans du monde // Volcanoes of the world

Voici quelques nouvelles de l’activité volcanique dans le monde:

Un nouvel épisode éruptif a commencé à Nishinoshima, dans l’archipel d’Ogasawara (Japon). Des anomalies thermiques ont été observées sur l’imagerie satellite. Les garde-côtes japonais ont confirmé cette nouvelle activité après un survol le 6 décembre 2019. Les explosions se concentrent actuellement au niveau du cône principal. Une nouvelle bouche éruptive à la base nord-est du cône génère une activité de spattering et des coulées de lave.
Les dernières éruptions sur Nishinoshima ont été observées d’avril à juin 2017 et en juillet 2018.
Source: JMA, Garde-côtes japonais.

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Une éruption mineure a débuté sur le Semisopochnoi (Aléoutiennes / Alaska) le 7 décembre 2019. Elle a été détectée sur les réseaux locaux sismiques et infrasoniques. En conséquence, la couleur de l’alerte aérienne est passée à l’Orange et le niveau d’alerte volcanique à Vigilance. On observe des explosions intermittentes. La sismicité était légèrement élevée avant la première explosion et se poursuit à un niveau élevé. Aucune émission significative de cendre ou autre activité de surface n’a été détectée sur l’imagerie satellite.
Source: AVO.

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A partir de 18 heures (GMT) le 6 décembre 2019, les webcams pointées sur les cratères de l’Etna (Sicile) ont montré une intensification progressive de l’activité strombolienne dans le Nouveau Cratère Sud-Est (NCSE). Cette dernière avait commencé vers 16 heures, avec des explosions sporadiques et de faible intensité. Les matériaux émis retombent sur les flancs de cette bouche éruptive. Aucune variation significative du tremor éruptif n’a été enregistrée.

Source : INGV.

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Je n’ai pas de bonnes nouvelles pour ceux qui ont l’intention d’aller à Hawaï pour Noël avec l’espoir de voir des coulées de lave actives. Le Kilauea n’est toujours pas en éruption et l’USGS indique que le niveau d’alerte est maintenu à Normal.
Les instruments de mesure ne montrent aucun changement significatif d’activité. La sismicité consiste un certain nombre d’événements épisodiques correspondant à une reprise de l’inflation sommitale. Les émissions de SO2 sont faibles au sommet et en dessous des seuils de détection sur le Pu’uO’o et le long de la Lower East Rift Zone (LERZ). Le petit lacau fond de Halema’uma’u continue de s’agrandir et de s’approfondir lentement.

Le Mauna Loa n’est pas en éruption lui non plus. Le niveau d’alerte reste à Advisory (surveillance conseillée). Toutefois, cela ne signifie pas qu’une éruption est imminente ou que l’on se dirige vers un tel événement à plus long terme
Plusieurs séismes de faible magnitude (tous inférieurs à M 2,0) sont détectés sous la partie haute du Mauna Loa. Les mesures de déformation montrent une inflation continue au sommet. La température des fumerolles et les concentrations de gaz dans la zone de rift Sud-Ouest restent stables.
Source: USGS / HVO.

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Here is some news of volcanic activity around the world:

New eruptive activity has started at Nishinoshima (Japan) in the Ogasawara archipelago. Thermal anomalies can be seen on satellite imagery. The Japanese coastguard confirmed this new activity after an overflight on December 6th, 2019. The explosions are currently located at the main cone. A new vent at the northeastern base of the cone is producing spattering and lava flows.

The last eruptions on Nishinoshima were observed from April to June 2017 and July 2018.

Source: JMA, Japanese Coastguard.

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A small eruption began at Semisopochnoi (Aleutians / Alaska) on December 7th, 2019. It was detected on the local seismic and regional infrasound networks. As a consequence, the aviation colour code was raised to Orange and the volcano alert level to Watch. Intermittent explosions are observed. Seismicity was slightly elevated prior to the first detected explosion and continues at elevated levels. No significant ash emissions or other surface activity have been detected in satellite imagery.

Source: AVO.

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Starting at 6 pm (UTC) on December 6th, 2019, the webcams ditected toward the summit craters of Mt Etna (Sicily) showed a gradual intensification of Strombolian activity in the New Southeast Crater (NCSE). It began around 4 pm, with sporadic, low intensity explosions. The emitted materials fall on the flanks of this eruptive vent. No significant variation in the eruptive tremor has been recorded.
Source: INGV.

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I do not have good news for those who intend to go to Hawaii for Christmas with the hope to see active lava flows. Kilauea is not erupting and USGS indicates that the alert level remains at Normal.

Monitoring data show no significant changes in activity. Seismicity is relatively consistent with some episodic increased rates at the summit coincident with inflation. SO2 emission rates are low at the summit and below detection limits at Pu’uO’o and along the Lower East Rift Zone (LERZ). The water lake at the bottom of Halema‘uma‘u continues to slowly expand and deepen.

Mauna Loa is not erupting either. The alert level remains at “advisory.” This does not mean that an eruption is imminent or that progression to an eruption is certain.

Several small-magnitude earthquakes (all less than M2.0) are detected beneath the upper elevations of Mauna Loa. Deformation measurements show continued summit inflation. Fumarole temperature and gas concentrations on the Southwest Rift Zone remain stable.

Source : USGS / HVO.

Nishinoshima (Source: JMA)

Hawaii: Réouverture de la Route 132 // Reopening of Highway 132

La Route132 qui avait été recouverte par la lave dans le secteur de Pahoa durant l’éruption du Kilauea en 2018 a de nouveau été ouverte à la circulation le 27 novembre 2019.
Un tronçon de 2,5 km de la partie amont de la route et un tronçon de 2,4 km de sa partie aval avaient été recouverts par une épaisse couche de lave. La route a retrouvé son aspect initial avec deux voies de circulation goudronnées. Le travail supposait l’évacuation de 120 000 mètres cubes de matériaux volcaniques. Les ouvriers ont parfois été confrontés à une température de plus de 400°C dans la partie basse de la route.
Le coût initial des travaux avait été estimé à 12 millions de dollars, mais les autorités ont finalement déboursé environ 6,5 millions de dollars.
La remise en état de la route permettra aux personnes possédant des biens dans la région de revenir dans leurs maisons et dans leurs entreprises. Elle permettra aussi des trajets plus courts et facilitera les interventions des services d’urgence.
Source: Médias hawaïens.

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Highway 132 in Pahoa, which had been cut off to travel for more than a year by lava from the 2018 Kilauea eruption reopened on November 27th, 2019.

A 2.5-km stretch of the upper portion of the highway and a 2.4-km section of the lower portion of the road were covered in lava. The road has been restored to its pre-inundation function with two paved travel lanes. The restoration work included the excavation of 120,000 cubic metres of lava rock. Construction personnel encountered hot surface temperatures of more than 400°C in the lower portion of the road .

Initial construction costs were estimated at12 million dollars. However, the final costs were reduced to approximately 6.5 million dollars.

Restoring the road will allow residents with properties in the region to return to their homes and businesses, provide shorter commute, and facilitate emergency response in the area.

Source: Hawaiian news media.

 Crédit photo: USGS / HVO

 

Le lent refroidissement de la lave du Kilauea (Hawaii) // The slow cooling of the Kilauea lava (Hawaii)

Le HVO a publié un article très intéressant qui explique pourquoi et comment la lave émise lors de l’éruption du Kilauea en 2018 se refroidit très lentement. La réponse est facile : c’est parce que la lave bénéficie de son propre pouvoir isolant. .
Depuis la fin de l’éruption de 2018, des mesures précises ont été effectuées sur l’épaisseur des coulées, leur temps de refroidissement et la relation entre le cœur encore très chaud et visqueux des coulées et la croûte solide en surface.
Les travaux effectués par des scientifiques du HVO et publiés en 1994 ont révélé la vitesse de refroidissement des coulées pahoehoe à Kalapana. Les volcanologues ont alors découvert que la croûte qui surmonte une coulée de lave basaltique s’épaissit en fonction de la racine carrée du temps. En d’autres termes, la croûte se développe plus lentement avec le temps. En conséquence, les coulées de lave plus épaisses prendront plus de temps à se solidifier.
La lave émise par le  Kilauea a une température d’environ 1150°C. En 1917, Thomas Jaggar a publié les résultats des mesures de température du lac de lave actif dans le cratère de l’Halema’uma ’u. On y apprend que le basalte pouvait rester encore visqueux à des températures entre 750 et 850°C. Ces chiffres servent aujourd’hui de référence. Ainsi, pour les derniers calculs relatifs à la lave de 2018, la croûte a été considérée comme solide quand elle présentait une température inférieure à 850°C. Cette même croûte montrait encore de l’élasticité (état semi-solide ou malléable) entre 850 et 1070°C.
Des études antérieures effectuées par le HVO sur les lacs de lave actifs dans le cratère du Kilauea Iki fournissent des informations supplémentaires. En forant la croûte refroidie à l’intérieur du cratère, les scientifiques ont constaté que la solidification prenait des décennies. En particulier, le lac de lave qui occupait le Kilauea Iki en 1959 avec une épaisseur de 44 mètres a mis environ 35 ans à se solidifier complètement. La température en profondeur est encore supérieure à 540°C.
En utilisant des drones, le HVO a pu élaborer une carte de l’épaisseur des coulées de lave de l’éruption de 2018. Cette carte indique qu’au carrefour connu sous le nom de «Four Corners», la lave présente une épaisseur d’une quinzaine de mètres. En utilisant cette valeur et les équations relatives à l’éruption de Kalapana en 1994, on peut calculer comment se sont solidifiées les coulées de 2018.  Ainsi, au cours des 14 mois qui ont suivi la fin de l’éruption, la partie supérieure de la coulée de « Four Corners » s’est solidifiée sur 7,80 mètres, tout comme les 5,50 mètres de sa partie inférieure. En revanche, une épaisseur de 1,70 mètre au cœur de la coulée est restée encore visqueuse. On estime qu’il faudra encore environ 3 ans pour que la température de ce cœur de coulée descende à 850°C et que la lave se solidifie complètement. Cela correspond aux dernières observations faites par les services de l’équipement qui ont remarqué des roches encore très chaudes lorsque les bulldozers ont effectué une tranchée le long de la Highway 132. Les géologues du HVO ont confirmé ces observations en août, lorsque une température de 425° C a été mesurée sur le site. Des températures élevées persisteront à plusieurs dizaines de centimètres sous la surface et généreront probablement de la vapeur lorsqu’il pleuvra.
Bien que l’éruption de 2018 du Kilauea se soit achevée il y a 14 mois, il faudra des années avant que les coulées de lave se solidifient complètement avec une température inférieure à 850°C, et il faudra attendre plus d’un siècle avant que la zone de 250 mètres d’épaisseur, là où la lave est entrée dans l’océan,  se solidifie complètement.
Source: USGS, HVO.

Cet article m’intéresse particulièrement car j’ai moi-même effectué un travail d’observation sur le processus de refroidissement de la lave sur le Kilauea, pour le compte du HVO et du Parc National des volcans d’Hawaii. Vous trouverez un résumé de mes travaux sous l’entête de ce blog.

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HVO has released a very interesting article which explains why and how lava from the Kilauea 2018 eruption is cooling very slowly. The short and simple answer is that lava insulates itself very well.

Since the end of the 2018 eruption, accurate measurements have been made on the flow field of lava thickness, cooling times, and the relative proportions of the internal molten core to the exterior solid crust.

Previous work by HVO scientists published in 1994 measured the cooling rate of pahoehoe lava at Kalapana. They found that the upper crust of a basalt lava flow grows thicker as a function of the square root of time. In other words, the lava flow crust grows more slowly with time. Therefore, thicker lava flows will take longer to become completely solid.

Lava erupts from Kilauea at a temperature of 1150°C. In 1917, Thomas Jaggar published results from the then-active Halema‘uma‘u lava lake that indicated basalt can remain molten at temperatures as low as 750–850°C. These figures are now the reference. For the current calculations, the crust has been considered solid when it is below 850°C and this crust is viscoelastic (semi-solid or malleable) at 850–1070°C.

Additional insight comes from previous HVO studies of active lava lakes in Kilauea Iki craters. By drilling into the cooled upper crusts of lava lakes within these craters, scientists documented that solidification takes decades. More specifically, the 44-metre-thick 1959 Kilauea Iki lava lake took about 35 years to fully solidify. Today, its core is still hotter than 540°C.

Using drones, HVO was able to create a lava flow thickness map of the 2018 eruption. This map indicates that at the intersection known as “Four Corners” there is a thickness of approximately 15 metres of lava. Using this value and the equations from the 1994 study of the Kalapana lava flows, one can calculate how much of the 2018 flows have solidified. Over the 14 months since the end of the eruption last year, the upper 7.8 metres and lower 5.5 metres at “Four Corners” should already be solidified crust, and the middle 1.7 metres should still be malleable.

It will take about 3 more years for the remaining 1.7 metres of malleable lava over the “Four Corners” intersection to reach 850°C and be completely solid. This matches recent observations by road-construction crews, who noticed hot rocks being exposed at a road cut along Highway 132. HVO geologists confirmed this in August, when temperatures of 425°C were measured at the newly-cut road site. Hot temperatures will remain several tens of centimetres below the surface for now and will likely generate steam when it rains.

Although Kilauea’s 2018 eruption ended 14 months ago, it will be years before the lava flows emplaced on land are entirely solidified below 850°C, and over a century before the 250-metre-thick area offshore fully solidifies.

Source: USGS, HVO.

This article is of particular interest to me because I performed an observation work on the cooling process of lava on Kilauea, on behalf of HVO and the Hawaii Volcanoes National Park. You will find an abstract of my work beneath the heading of this blog.

Refroidie et durcie en surface, une coulée de lave conserve pendant longtemps une température élevée à l’intérieur (Photo: C. Grandpey)

Halema’uma’u (Hawaii): Résultats de l’analyse de l’eau // Results of water analysis

Comme prévu, le HVO a récemment échantillonné l’eau du lac qui est apparu au fond du cratère de l’Halema’uma’u, au sommet de Kilauea. Le niveau de cette eau a augmenté d’environ 90 centimètres par semaine depuis sa première apparition le 25 juillet 2019. Jusqu’à présent, le HVO ne pouvait qu’évaluer à distance la taille du lac, observer sa couleur et estimer sa température. En voyant la lac s’agrandir, le HVO a décidé d’élaborer une stratégie pour échantillonner son eau. En effet, la chimie du lac est une bonne indication de la provenance de l’eau, de son influence possible sur le dégazage et donc des risques potentiels au sommet du Kilauea.
Il a été décidé qu’un drone serait la meilleure solution pour l’échantillonnage. Le 26 octobre, un engin a prélevé avec succès 0,73 litre d’eau du lac. L’échantillon a ensuite été envoyé à des laboratoires sur le continent pour des analyses exhaustives.
Les résultats obtenus jusqu’à maintenant indiquent que l’eau est acide, avec un pH de 4,2 (le pH neutre est de 7). Il est intéressant de noter que la plupart des lacs de cratères ont un pH inférieur à 3,5 (plus acide) ou supérieur à 5 (moins acide), ce qui place le lac de l’Halema’uma’u dans la moyenne.
Une modélisation mathématique effectuée avant l’apparition du lac indiquait que l’eau de la nappe phréatique était susceptible de pénétrer dans le cratère de l’Halema’uma’u une fois que l’environnement se serait suffisamment refroidi, après la disparition du lac de lave qui avait séjourné dans le cratère entre 2008 et 2018. Il n’est donc pas surprenant de voir de l’eau appraître dans le cratère.
Cependant, il est important de noter que l’Halema’uma’u est l’endroit où les émissions sommitales de dioxyde de soufre (SO2) sont les plus importantes, et que le SO2 se dissout facilement dans l’eau.
Lorsque l’eau souterraine s’écoule en direction du cratère en cours de refroidissement, elle dissout le SO2 provenant du magma situé en dessous. Cela conduit à des concentrations élevées d’ions sulfate dans le lac (53 000 milligrammes par litre) et à un pH plus acide.
A côté de cela, cette eau acide réagit chimiquement avec le basalte du Kilauea, ce qui diminue son acidité et augmente donc son pH. On observe aussi des concentrations élevées de magnésium dans l’eau. Les rapports magnésium / sodium et sodium / potassium dans l’eau du lac sont semblables à ceux du basalte du Kilauea, confirmation des réactions chimiques entre l’eau et la roche.
Les concentrations de calcium ne sont pas très élevées dans l’échantillon d’eau prélevé. Cela s’explique par le fait que le calcium se combine avec des ions sulfate pour former des minéraux solides qui précipitent dans l’eau. Le fer est également susceptible de former divers minéraux, ce qui explique les teintes jaunâtres du lac.
Les réactions complexes entre les gaz et les roches environnantes expliquent pourquoi l’eau du lac dans l’Halema’uma’u est chimiquement différente de la nappe phréatique au fond d’un puits de recherche situé au sud de Halema’uma’u et aussi de l’eau de pluie. Les tests effectués sur l’oxygène et l’hydrogène qui forment les molécules d’eau révèlent que l’eau du lac était à l’origine une eau de pluie qui a percolé dans le sous-sol où sa chimie a évolué.
Le niveau du lac au fond de l’Halema’uma’u continue à s’élever. Le pH actuel reflète un équilibre entre les eaux souterraines qui y pénètrent et le niveau des émissions de SO2 en provenance du sous-sol. Si le niveau du lac se stabilise ou si la quantité de SO2 change, le pH est susceptible de se modifier. Sur le Pinatubo aux Philippines, après l’éruption de 1991, un lac de cratère s’est formé avec un pH presque neutre, mais l’eau est devenue plus acide quand le dégazage de SO2 s’est intensifié, avec l’apparition d’une activité volcanique ultérieure.
Les analyses chimiques confirment que le lac au fond du cratère de l’Halema’uma’u dissout le SO2 d’origine magmatique. Cela signifie que les niveaux d’émission de SO2 mesurés par le HVO (environ 30 tonnes par jour) sous-estiment le SO2 émis globalement par le Kilauea. Sans le lac, les émissions de SO2 au sommet du volcan seraient probablement plus élevées. Cette découverte est importante car un niveau d’émission de SO2 en hausse peut indiquer la présence de magma à faible profondeur.  .
Source: HVO.

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As expected, HVO recently sampled the Halema‘uma‘u water lake at the bottom of Kilauea’s summit crater. The water has risen about 90 centimetres per week since first spotted on July 25th, 2019. Initially, HVO was limited to remote observations of lake size, colour, and surface temperature. As the lake grew, HVO began formulating a plan to sample the water. Indeed, the lake’s chemistry could reveal where the water was coming from and what it might mean for degassing and potential hazards at Kilauea’s summit.

It was decided that a UAS was the best option for sampling. On October 26th, a drone successfully collected about 0.73 litres of water from the lake. The sample was then shipped to mainland USGS laboratories for sophisticated analyses.

Results thus far indicate an acidic lake, with a pH of 4.2 (neutral is pH 7). Interestingly, most volcanic crater lakes have a pH of less than 3.5 (more acidic) or higher than 5 (less acidic), which places the Halema’uma’u lake in the midddle range.

Mathematical modelling performed prior to the lake’s appearance predicted that groundwater could flow into Halema‘uma‘u once the area had cooled enough after the 2008-18 lava lake drained away. So, it was not entirely a surprise when water began to pond in the crater.

But, it’s important to note that Halema‘uma‘u is where most summit sulfur dioxide (SO2) degassing takes place, and that SO2 dissolves readily in water.

As water flows underground toward the now-cooling crater, it dissolves SO2 rising from magma below. This leads to high concentrations of sulfate ions in the lake (53,000 milligrams per liter) and a tendency towards a more acidic pH.

However, that acidic water reacts chemically with Kilauea’s basaltic rock, which makes the lake less acidic (raises the pH) and results in high concentrations of magnesium in the water. The ratios of magnesium to sodium and of sodium to potassium in the lake water are similar to those ratios in Kilauea’s basalt, which is further evidence of chemical reactions between the water and rocks.

Calcium concentrations are not very high in the water sample; calcium is instead combining with sulfate ions to form solid minerals that precipitate from the water. Iron is also likely forming various minerals, contributing to the lake’s yellowish colours.

Complex gas/rock reactions result in Kilauea’s lake water being chemically different from groundwater in a research well south of Halema‘uma‘u and from rainwater. Testing of oxygen and hydrogen that form the water molecules indicate that the lake water was originally rain that percolated into the subsurface where it became groundwater and the chemistry changed.

The Halema’uma’u lake is still rising. The current pH reflects the balance between incoming groundwater and the degree of SO2 degassing from below. If the lake level stabilizes, or the amount of SO2 changes, the pH may also change. At Mount Pinatubo (Philippines), after the 1991 eruption, a crater lake formed with a nearly-neutral pH but became more acidic with increased SO2 degassing and later volcanic activity.

Chemical analyses confirm that the Halema’uma’u crater lake dissolves magmatic SO2. This implies that HVO’s measured SO2 emission rates (about 30 tonnes per day) underestimate the total outgassed SO2 at Kilauea. Without the lake, SO2 emissions from the summit would likely be higher. This finding is important given that an increasing SO2 emission rate can indicate shallowing magma.

Source : HVO.

Le lac acide au fond du cratère de l’Halema’uma’u (Crédit photo: HVO)