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Etude des cristaux pour mieux prévoir les éruptions // A study of crystals to better predict eruptions

Nous savons tous que la prévision éruptive est extrêmement difficile. En effet, chaque volcan possède son propre réseau complexe de conduits d’alimentation. Même lorsque les instruments détectent une activité volcanique, il est très compliqué de savoir quand le magma atteindra la surface.
Des scientifiques du Trinity College de Dublin (Irlande) et de l’Université du Queensland (Australie) ont essayé de comprendre ce processus en analysant les cristaux qui se développent à l’intérieur des volcans et agissent comme enregistreurs de leurs éruptions. Une étude précédente sur les cristaux de l’Etna avait montré que si un nouveau magma arrive dans la chambre située à une dizaine de kilomètres sous la surface, une éruption peut se produire dans les deux semaines suivantes.
Au fur et à mesure qu’il monte vers la surface, le nouveau magma exerce une pression sur les roches encaissantes en accumulant de la pression sous le volcan. Cela génère des séismes et entraîne un gonflement de l’édifice, phénomènes qui peuvent être surveillés en surface ou depuis l’espace avec des satellites. La difficulté est de savoir si une recharge de la chambre magmatique à un certain moment se traduira par une éruption et combien de temps il faudra avant que l’éruption commence.
C’est à ce niveau que les cristaux peuvent intervenir. Ces minéraux ont été baptisés « anté-cristaux » parce qu’ils ont souvent commencé souvent à se développer dans les magmas primaires, des milliers d’années avant que le volcan entre en éruption. Ils se développent couche par couche, tout en enregistrant les changements dans le magma environnant, de la même manière que les cernes des troncs d’arbres enregistrent les variations du climat.
La technologie laser permet de pénétrer la structure de ces « anté-cristaux » pour créer des cartes des éléments traces à l’intérieur. Cela suppose d’envoyer un faisceau laser sur l’ « anté-cristal, » puis d’utiliser un spectromètre de masse pour analyser l’aérosol qui est ainsi émis et déterminer son contenu. Cela permet de créer une image 2D de la structure du cristal qui peut nous renseigner sur son histoire. Par exemple, lorsque d’anciens noyaux d’ « anté-cristaux » sont transportés à la surface par un nouveau magma, cela génère une bordure bien particulière autour du cristal.

En utilisant des cartes chimiques de cristaux provenant des 40 dernières années d’activité de l’Etna, les chercheurs ont pu déterminer la profondeur à laquelle les cristaux se sont développés, mais aussi à quel moment un nouveau magma a commencé à envahir le système volcanique en profondeur. Ils ont constaté que le processus a débuté dans les années 1970, ce qui coïncide avec la période où le volcan a commencé à entrer en éruption plus souvent, avec une ascension plus rapide du magma, plus d’explosivité et une activité sismique plus intense.
Le type de contact entre les noyaux des cristaux et leurs bordures, et l’épaisseur des bordures, contiennent des informations sur le temps qui s’est écoulé entre les arrivées de magma et le début d’une éruption. Cela signifie que nous pouvons mieux prévoir quand une éruption est susceptible de se produire après avoir détecté le magma à certains niveaux sous le volcan.
La conclusion de l’étude est que l’analyse laser d’ « anté-cristaux » dans le monde entier pourrait permettre aux volcanologues de mieux comprendre comment la recharge de la chambre magmatique agit comme déclencheur d’éruptions et de mieux interpréter les données de surveillance des volcans actifs. Cela pourrait permettre d’établir un processus plus précis pour repérer les signes avant-coureurs et prévoir les éruptions imminentes.
Source: Live Science.

L’étude complète peut être lue à cette adresse: https://www.nature.com/articles/s41467-017-02274-w

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We all know that predicting an eruption is a very difficult task. Indeed, every volcano has its own unique and complex network of feeding conduits. So, even when instruments detect volcanic activity, it is very hard to know when the magma will make its way to the surface.

Scientists from Trinity College Dublin (Ireland) and the University of Queensland (Australia) have found a way to assess this process by using crystals that grow inside volcanoes and act like a record of its eruption. A previous study on crystals from Mount Etna had shown that if new magma arrives in chambers 10 km below the volcano’s surface, an eruption can follow within two weeks.

As it moves towards the surface, the new magma pushes apart the rock, building up pressure beneath the volcano. This produces earthquakes and inflates the volcanic edifice, effects that can be monitored at the surface or from space with satellites. What is difficult is to know if a particular magma recharge will actually translate into an eruption and how much time it will take for the eruption to start.

This is where the crystals can come in. These minerals are called antecrysts because they often start growing from early magmas thousands of years before the volcano erupts. They grow layer by layer, recording changes in the surrounding magma, like tree rings registering variations in the climate.

Laser technology allows to look into the antecrysts to create maps of the trace chemical elements inside them. This involves firing a grid of laser lines over the antecryst and then using a mass spectrometer to analyse the aerosol that is given off and work out what it contains. This can be used to create a 2D image of the crystal’s composition that can tell us something about its history. For example, when old antecryst cores are transported to the surface by new magma, it generates a distinctive rim on the crystal.

Using crystal chemical maps from the last 40 years of volcanic activity at Mount Etna, the researchers been able to determine the depth at which the crystals grow but also when new magma began invading the underground volcanic system. They found that this started occurring in the 1970s, coinciding with the period when the volcano began to erupt more often, with faster-moving magma and more explosiveness and seismic activity.

The type of contact between the crystal cores and the rims and thickness of the rims hold information on how much time elapses between the arrival of batches of magma and when an eruption started. This means we can better predict when an eruption is likely to occur after magma is detected at certain points beneath the volcano.

The study’s conclusion is that carrying out laser surveys of antecrysts from around the world could help volcanologists better understand how magma recharge acts as a trigger for eruptions, and how to interpret monitoring data from active volcanoes. This could create a more accurate process for spotting warning signs and predicting imminent eruptions.

Source : Live Science.

The complete study can be found at this address : https://www.nature.com/articles/s41467-017-02274-w

L’étude des cristaux permettra-t-elle un jour de mieux comprendre les humeurs de l’Etna? (Photo: C. Grandpey)

Grimsey (Islande) : Ça se calme // Seismicity is decreasing

Comme cela était prévisible (voir ma dernière note), on observe depuis hier 20 février 2018  un déclin de la sismicité sur la zone de fracture de Tjörnes et sur l’île de Grimsey (voir ci-dessous). L’essaim sismique avait une origine purement tectonique avec des événements majoritairement superficiels. L’Icelandic Met Office a indiqué à plusieurs reprises qu’aucun paramètre ne suggérait une ascension du magma. Il faut noter qu’au cours des dernières semaines c’est toute la zone de rift islandaise qui a été soumise à une hausse de la sismicité, depuis la Péninsule de Reykjanes où des séismes de magnitude supérieure à M 3,0 ont été enregistrés.

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Predictably (see my last post), since yesterday, February 20th, 2018, there has been a decline in seismicity along the Tjörnes Fracture Zone and on Grimsey Island (see below). The seismic swarm had a purely tectonic origin with mostly shallow events. The Icelandic Met Office has repeatedly stated that there were no parameters to suggest any magma ascent. It should be noted that over the last few weeks the entire Icelandic rift zone has been subjected to increased seismicity, starting from the Reykjanes Peninsula where earthquakes above M 3.0 have been recorded.

Source: IMO

La source magmatique de l’Etna // Mount Etna’s magma source

Il se pourrait que la source d’alimentation magmatique de l’Etna ne se trouve pas à la verticale du volcan sicilien, mais beaucoup plus à l’est, dans une zone baptisée Escarpement de Malte. Par le passé, elle aurait donné naissance aux volcans des Monts Iblei, aujourd’hui éteints. C’est du moins ce que révèle une étude intitulée Etnean and Hyblean volcanism shifted away from the Masta Escarpment by crustal stresses, conduite par une équipe de chercheurs de l’INGV, du Centre allemand de géosciences (GFZ) de Potsdam, l’Université d’Etudes de Roma Tre et de Catane. Les résultats ont été publiés dans la revue Earth & Planetary Science Letters, Elsevier B.V.
Marco Neri, de l’Observatoire Etneo-INGV, rappelle que séismes et éruptions se produisent essentiellement en bordure des plaques tectoniques qui occupent à la surface de la Terre. Cependant, il y a des volcans qui ne suivent pas cette règle, car ils se développent à l’intérieur des plaques tectoniques et non sur les bords. C’est ce qu’on appelle le volcanisme «intraplaque.» C’est le cas des volcans qui entrent en éruption depuis des millions d’années le long de la Sicile orientale.
L’Etna est actif depuis cinq cent mille ans, mais bien avant lui, pendant des millions d’années, les Monts Iblei ont dominé la scène avec de nombreux volcans actifs entre Capo Passero et la Plaine de Catane et entre Syracuse et Grammichele.
Afin de déterminer la source magmatique qui a alimenté les Monts Iblei et donne aujourd’hui vie à l’Etna, les chercheurs ont simulé le parcours emprunté par le magma en dessous des Iblei et de l’Etna jusqu’à la limite entre la croûte et le manteau, à environ 30 km de profondeur. Ils ont intégré dans leurs calculs les différents régimes tectoniques qui se sont succédé dans l’est de la Sicile au cours des dix derniers millions d’années. Dans cette zone, la croûte terrestre a été comprimée ou s’est dilatée en différentes directions, ce qui a favorisé ou entravé l’ascension du magma en provenance du manteau. Le modèle a également mis en lumière l’évolution progressive des failles de l’Escarpement de Malte qui, au fil du temps, se sont approfondies, augmentant la pression lithostatique induite par les masses rocheuses en déformation.

Les scientifiques ont ainsi découvert que les trajectoires empruntées par le magma entre le manteau terrestre et la surface ne sont pas verticales. Elles convergent vers le bas, aussi bien pour l’Etna que pour les volcans des Monts Iblei, dans une même zone, au-dessous de l’Escarpement de Malte. Il s’agit d’une structure tectonique qui ouvre la croûte terrestre en Sicile orientale et permet l’ascension du magma à partir du manteau. L’Escarpement de Malte est aussi un important système de failles situé juste à côté des côtes orientales de la Sicile, sous la mer Ionienne, et capable de générer des séismes. Ces failles s’étendent sur plus de trois cents kilomètres en produisant, au fond de la mer, un escarpement pouvant atteindre trois mille mètres de profondeur.
Il se pourrait bien que ce soit l’Escarpement de Malte qui a généré, le 11 Janvier 1693, dans le Val di Noto, le séisme le plus violent observé au cours des mille dernières années en Italie avec une magnitude de M 7,4, cinquante-quatre mille morts et un tsunami dévastateur.
L’étude montre que, même en Sicile orientale, les volcans et les failles sismogéniques sont l’expression d’un seul contexte volcano-tectonique actif depuis des millions d’années et qui évolue au fil du temps, ce qui explique pourquoi les volcans des Monts Iblei sont éteints aujourd’hui, alors que l’Etna est encore très actif.

Source: Conoscere Geologia.

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Mount Etna’s magma source might not be located vertically beneath the Sicilian volcano, but much further east, in an area known as the Malta Escarpment. In the past, it probably gave birth to the volcanoes of the now extince Iblei Mountains. This is what is revealed by a study entitled Etnean and Hyblean volcanism shifted away from the Masta escarpment by crustal stresses, conducted by a team of researchers from INGV, the German Geosciences Center (GFZ) in Potsdam, the University Roma Tre and Catania. The results were published in Earth & Planetary Science Letters, Elsevier B.V.
Marco Neri, of the Etneo-INGV Observatory, reminds us that earthquakes and eruptions occur essentially along the edge of the tectonic plates that occupy the surface of the Earth. However, there are volcanoes that do not follow this rule because they grow inside the tectonic plates and not on the edges. This is called « intraplate » volcanism. This is the case of volcanoes that have been erupting for millions of years in eastern Sicily.
Etna has been active for five hundred thousand years, but long before, for millions of years, the Iblei Mountains dominated the scene with many active volcanoes between Capo Passero and the Plain of Catania and between Syracuse and Grammichele.
In order to determine the magmatic source that fed the Iblei Mountains and gives life to Mt Etna today, the researchers simulated the path taken by magma below the Iblei and Etna to the limit between the crust and the mantle, about 30 km deep. They integrated in their calculations the different tectonic regimes in the eastern part of Sicily during the last ten million years. In this zone, the Earth’s crust has been compressed or expanded in different directions, which has favoured or hindered the rise of magma from the mantle. The model also highlighted the gradual evolution of the Malta Escarpment faults which, over time, have deepened, increasing the lithostatic pressure induced by the deformed rock masses.
Scientists have discovered that the routes taken by magma between the Earth’s mantle and the surface are not vertical. They converge downwards, as well for Etna as for the volcanoes of the Iblei Mountains, in the same zone, below the Malta Escarpment. It is a tectonic structure that opens the earth’s crust in eastern Sicily and allows the rise of magma from the mantle. The Malta Escarpment is also an important fault system located just off the eastern coast of Sicily, under the Ionian Sea, and capable of generating earthquakes. These faults extend for more than three hundred kilometres and produce, at the bottom of the sea, an escarpment up to three thousand metres deep.
The Malta Escarpment may have triggered, on January 11th, 1693, in the Val di Noto, the most violent earthquake observed over the last thousand years in Italy, with a magnitude of M 7.4, fifty-four thousand dead and a devastating tsunami.
The study shows that, even in eastern Sicily, volcanoes and seismogenic faults are the expression of a single volcano-tectonic context that has been active for millions of years and has evolved over time, which explains why the volcanoes of the Iblei Mountains are extinct today, while Etna is still very active.
Source: Conoscere Geologia.

Photo: C. Grandpey

Fonte des glaciers et éruptions volcaniques // Glacier melting and volcanic eruptions

Voici un sujet qui va de pair avec le titre de mon blog: comment la fonte des glaciers peut favoriser le déclenchement des éruptions dans des régions volcaniques comme l’Islande. L’hypothèse a déjà été examinée plusieurs fois par des scientifiques et a été récemment abordée dans une nouvelle étude conduite par l’Université de Leeds. Les chercheurs ont confirmé l’idée qu’il y avait moins d’activité volcanique en Islande lorsque la couverture glaciaire était plus étendue. En revanche, avec la fonte des glaciers, les éruptions deviennent plus fréquentes du fait de la baisse de pression exercée par la glace.
Les scientifiques anglais ont examiné en Islande la cendre volcanique contenue dans des dépôts de tourbe et des sédiments lacustres et a identifié une période d’activité volcanique particulièrement réduite entre 5 500 et 4 500 ans. Cette période est intervenue après une baisse importante de la température de la planète et la croissance des glaciers en Islande.
Les résultats de l’étude, publiés dans la revue Geology, montrent qu’il y a eu un décalage d’environ 600 ans entre l’événement climatique et la diminution significative du nombre d’éruptions. L’étude indique que l’on est en droit de s’attendre à un décalage similaire avec le changement climatique actuel et des températures plus chaudes qu’il génère.
Le système volcanique islandais se remet du «Petit âge glaciaire», une période de climat plus froid entre 1500 et 1850. Depuis la fin du Petit âge glaciaire, une période de réchauffement climatique fait à nouveau fondre les glaciers islandais. Selon l’un des auteurs de l’étude, «la part prise par l’homme dans le réchauffement climatique rend difficile toute prévision, mais les tendances du passé prouvent qu’un plus grand nombre d’éruptions est susceptible de se produire en Islande dans les prochaines années.»
Le volcanisme islandais dépend des interactions complexes entre les rifts le long de plaques continentales, l’accumulation de gaz et de magma en profondeur et la pression exercée par les glaciers sur la surface du volcan. Les variations de pression à la surface peuvent modifier les contraintes qui s’exercent sur les chambres peu profondes, là où le magma est stocké. En effet, lorsque les glaciers se retirent, il y a moins de pression sur la surface de la Terre. Cela peut accélérer la fonte du manteau, affecter le comportement du magma, ainsi que la quantité de magma que la croûte peut contenir. Même de faibles variations de pression en surface peuvent modifier la probabilité d’éruptions sur les volcans recouverts de glace.
Source: Université de Leeds.

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Here is a topic that goes hand in hand with the title of my weblog : how glacier melting can influence eruptions in volcanically active regions like Iceland. The hypothesis has already been considered several times by scientists and was recently developed in a new study led by the University of Leeds. It confirmed the idea that there was less volcanic activity in Iceland when glacier cover was more extensive and as the glaciers melted volcanic eruptions increased due to subsequent changes in surface pressure.

The study examined Icelandic volcanic ash preserved in peat deposits and lake sediments and identified a period of significantly reduced volcanic activity between 5,500 and 4,500 years ago. This period came after a major decrease in global temperature, which caused glacier growth in Iceland.

The findings, published in the journal Geology, found there was a time lag of roughly 600 years between the climate event and a noticeable decrease in the number of volcanic eruptions. The study suggests that perhaps a similar time lag can be expected following the more recent shift to warmer temperatures.

Iceland’s volcanic system is in process of recovering from the ‘Little Ice Age’, a recorded period of colder climate roughly between the years 1500 to 1850. Since the end of the Little Ice Age, a period of climate warming is causing Icelandic glaciers to melt again. According to one of the authors of the study, « the human effect on global warming makes it difficult to predict how long the time lag will be but the trends of the past show us more eruptions in Iceland can be expected in the future.”

Icelandic volcanism is controlled by complex interactions between rifts in continental plate boundaries, underground gas and magma build-up and pressure on the volcano’s surface from glaciers and ice. Changes in surface pressure can alter the stress on shallow chambers where magma builds up. Indeed, when glaciers retreat there is less pressure on Earth’s surface. This can increase the amount of mantle melt as well as affect magma flow and how much magma the crust can hold. Even small changes in surface pressure can alter the likelihood of eruptions at ice-covered volcanoes.

Source: University of Leeds.

Photo: C. Grandpey