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Réservoir et chambre magmatiques à Yellowstone // Magma reservoir and chamber at Yellowstone

drapeau francaisUne étude récente réalisée par des scientifiques de l’Université de l’Utah et publiée dans la revue Science fournit pour la première fois une vue complète du système d’alimentation du volcan de Yellowstone. L’étude montre qu’il existe un énorme réservoir magmatique sous la chambre magmatique que l’on connaissait déjà.
Le réservoir se situe entre 20 et 45 kilomètres sous le volcan de Yellowstone et il est 4,4 fois plus grand que la chambre magmatique peu profonde que l’on connaît depuis longtemps.
Contrairement à la perception populaire, la chambre et le réservoir magmatiques ne sont pas remplis de roche fondue. Au lieu de cela, la roche chaude est, la plupart du temps solide avec une texture spongieuse, avec des poches de roche en fusion à l’intérieur. La chambre magmatique supérieure  contient environ 9% de la roche en fusion (ce qui correspond aux estimations antérieures de 5% à 15%) tandis que le réservoir inférieur en contient environ 2%.
Les chercheurs soulignent que la chambre magmatique supérieure a été la source directe de trois éruptions cataclysmales de la caldeira de Yellowstone il y a 2.000.000, 1.200.000 et 640 000 ans. Ces chiffres restent valables après la découverte du réservoir sous-jacent qui alimente la chambre supérieure.
Des recherches antérieures ont montré que le panache qui alimente le point chaud de Yellowstone s’élève d’une profondeur d’au moins 710 kilomètres dans le manteau terrestre. Certains chercheurs pensent même qu’il provient d’une profondeur de 2300 km. Le panache s’élève depuis une zone située au nord-ouest de Yellowstone sur une largeur d’environ 80 km. Il s’étale ensuite comme une crêpe lorsqu’il atteint le manteau supérieur à environ 65 km de profondeur. Des études antérieures par les chercheurs de l’Utah ont indiqué que le sommet du panache avait une largeur de 480 km. La nouvelle étude suggère qu’il n’est probablement pas aussi large, mais les données actuelles ne sont pas assez précises pour faire une telle affirmation.

La roche partiellement fondue s’élève sous forme de dykes depuis le sommet du panache à 65 km de profondeur pour atteindre la base du réservoir magmatique d’un volume de 47000 kilomètres cubes, à environ 45 km de profondeur. Le sommet de ce réservoir (qui vient d’être découvert) se trouve à environ 19 km de profondeur. Le réservoir mesure 48 km au nord-ouest au sud-est et 70 km du sud-ouest au nord-est. La chambre supérieure d’un volume de 10 420 kilomètres se trouve sous la caldeira de Yellowstone qui mesure 65 km sur 40. Elle a la forme d’une poêle à frire gigantesque et se trouve entre 5 et 15 km sous la surface, avec le « manche » qui s’élève en direction du nord-est. La chambre mesure environ 30 km du nord-ouest au sud-est et 90 km du sud-ouest au nord-est. Le « manche » est la partie longue et la moins profonde de la chambre ; il s’étire sur 16 km au nord-est de la caldeira. Les scientifiques pensaient autrefois que la chambre magmatique peu profonde avait un volume de 4200 kilomètres cubes. En fait, il est 2,5 fois plus grand.
La découverte d’un réservoir sous la chambre magmatique résout un mystère de longue date: On se demandait pourquoi le sol et les sources géothermales de Yellowstone émettent plus de CO2 que par le seul gaz en provenance de la chambre magmatique. L’hypothèse d’un réservoir profond avait été avancée en raison de cet excès de CO2 émis par la roche en fusion ou partiellement fondue.
Pour effectuer cette nouvelle étude, les chercheurs de l’Utah ont développé une technique qui combine deux types d’informations: des données sismiques locales détectées dans l’Utah, l’Idaho, la Teton Range et Yellowstone par l’Université de l’Utah et les données de stations plus éloignées détectées par le réseau sismique EarthScope (financé par la National Science Foundation) qui a été utilisé pour cartographier la structure souterraine des 48 états situés plus au sud.
Le réseau sismique de l’Utah inclut des sismomètres installés à proximité des uns des autres, ce qui permet d’obtenir de meilleures images de la croûte peu profonde sous Yellowstone, tandis que les sismomètres de EarthScope permettent d’obtenir des images des structures plus profondes.
Source: presse scientifique américaine.

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drapeau anglaisA new University of Utah study in the journal Science provides the first complete view of the plumbing system that supplies hot and partly molten rock from the Yellowstone hotspot to the Yellowstone volcano. The study revealed a gigantic magma reservoir beneath the previously known magma chamber.

The reservoir lies 20 to 45 kilometres beneath the Yellowstone volcano, and it is 4.4 times larger than the shallower, long-known magma chamber.

For the first time, the researchers have imaged the continuous volcanic plumbing system under Yellowstone, which includes the upper magma chamber plus a lower reservoir that had never been imaged before and that connects the upper chamber to the Yellowstone hotspot plume below.

Contrary to popular perception, the magma chamber and magma reservoir are not full of molten rock. Instead, the rock is hot, mostly solid and spongelike, with pockets of molten rock within it. The upper magma chamber averages about 9% molten rock (which corresponds to earlier estimates of 5% to 15%) and the lower magma reservoir includes about 2% molten rock.

The researchers point out that the previously known upper magma chamber was the immediate source of three cataclysmic eruptions of the Yellowstone caldera 2 million, 1.2 million and 640,000 years ago. This is not changed by the discovery of the underlying magma reservoir that supplies the magma chamber.

Previous research has shown the Yellowstone hotspot plume rises from a depth of at least 710 km in the Earth’s mantle. Some researchers suspect it originates 2,300 km deep. The plume rises from the depths northwest of Yellowstone. The plume conduit is roughly 80 km wide as it rises through Earth’s mantle and then spreads out like a pancake as it hits the uppermost mantle about 65 km deep. Earlier Utah studies indicated the plume head was 480 km wide. The new study suggests it may be smaller, but the data aren’t good enough to know for sure. Hot and partly molten rock rises in dikes from the top of the plume 65 km deep up to the bottom of the 47,000 cubic-kilometre magma reservoir, about 45 km deep. The top of this newly discovered magma reservoir is about 19 km deep. The reservoir measures 48 km northwest to southeast and 70 km southwest to northeast. The 10,420 cubic-kilometre upper magma chamber sits beneath Yellowstone’s 65-by-40 km caldera. It is shaped like a gigantic frying pan about 5 to 15 km beneath the surface, with a « handle » rising to the northeast. The chamber is about 30 km from northwest to southeast and 90 km southwest to northeast. The handle is the shallowest, long part of the chamber that extends 16 km northeast of the caldera.

Scientists once thought the shallow magma chamber was 4,200 cubic kilometres. Actually, it is 2.5 times bigger than previously thought.

Discovery of the magma reservoir below the magma chamber solves a longstanding mystery: Why Yellowstone’s soil and geothermal features emit more CO2 than can be explained by gases from the magma chamber. A deeper magma reservoir had been hypothesized because of the excess carbon dioxide, which comes from molten and partly molten rock.

For the new study, the Utah researchers developed a technique to combine two kinds of seismic information: Data from local quakes detected in Utah, Idaho, the Teton Range and Yellowstone by the University of Utah Seismograph Stations and data from more distant quakes detected by the EarthScope (funded by the National Science Foundation) array of seismometers, which was used to map the underground structure of the lower 48 states.

The Utah seismic network has closely spaced seismometers that are better at making images of the shallower crust beneath Yellowstone, while EarthScope’s seismometers are better at making images of deeper structures.

Source : American scientific press.

Yellowstone-reservoir

Cette coupe sud-ouest / nord-est sous Yellowstone a été obtenue grâce à l’imagerie sismique.

(Source: University of Utah)

Les sources magmatiques du Kilauea (Hawaii) // The magma sources of Kilauea (Hawaii)

drapeau francaisSelon une nouvelle étude incluant l’analyse de traceurs chimiques des 50 dernières années d’écoulement de la lave, les éruptions du Kilauea sont alimentées par deux petits réservoirs magmatiques. L’étude indique également que le Kilauea possède une source d’alimentation plus profonde ; en effet, ces petits réservoirs magmatiques superficiels n’ont pas pu émettre à eux seuls l’énorme quantité de lave que le volcan a déversé depuis 1983.
On estime que les deux chambres magmatiques représentent un volume de moins d’un demi kilomètre cube de magma. Depuis le début de l’éruption actuelle en 1983, le Kilauea a vomi environ huit fois ce volume, avec quelque 4 kilomètres cubes de lave
Les auteurs de l’étude sont parvenus à localiser les chambres magmatiques en analysant les isotopes de plomb dans la lave du Kilauea. Les isotopes, qui sont des atomes de plomb avec des nombres différents de neutrons, retracent l’histoire de la lave depuis les profondeurs jusqu’au moment où elle sort à la surface de la Terre. Le Kilauea est un volcan avec deux rapports isotopiques de plomb très distincts dans les laves qui sortent à son sommet. Les laves avec les rapports isotopiques de plomb les plus élevés proviennent du cratère de l’Halema’uma’u alors que les laves avec des rapports plus faibles ont été émises près de la lèvre de la caldeira du Kilauea.
Ces isotopes de plomb distincts laissent supposer qu’il existe deux sources magmatiques sous le sommet du Kilauea. La source la plus profonde des éruptions – qui est aussi celle des éruptions de tous les volcans d’Hawaï – est le panache mantellique sous la croûte océanique ; il représente la clé de voûte de la théorie du «point chaud».
Les analyses chimiques correspondent aux mesures géophysiques et elles ont identifié des chambres magmatiques sous le sommet du Kilauea aux mêmes endroits. Un réservoir se trouve à moins de 2 km sous le cratère de l’Halema’uma’u, là où un lac de lave est apparu en 2008. L’autre réservoir est légèrement plus profond et plus volumineux ; il se trouve à environ 2 – 4 km sous la lèvre sud de la caldeira.
Les mesures géophysiques révèlent que les chambres magmatiques sont un peu plus volumineuses que celles indiquées par les traceurs chimiques. Cela pourrait signifier qu’elles contiennent une plus grande quantité de matière en fusion que l’indiquent les analyses chimiques.
L’étude a été publiée en mars 2015 dans la revue Earth and Planetary Science Letters.
Source: Live Science.

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drapeau anglaisAccording to a new study including the analysis of chemical tracers from the last 50 years of lava flows, Kilauea’s eruptions are fed by two small magma reservoirs. The study also suggests that Kilauea also taps a deeper source, because the shallower magma chambers are too tiny to account for all of the lava that has been emitted since 1983.

It has been estimated that the size of both magma chambers adds up to less than half a cubic kilometre of magma. Since the current eruption started in 1983, Kilauea has belched about eight times that amount of molten rock, or some 4 cubic kilometres of lava

The authors of the study located the underground magma chambers by analyzing lead isotopes in Kilauea’s lava rock. The isotopes, which are atoms of lead with different numbers of neutrons, trace the lava’s history as it travelled underground before erupting. Kilauea is a single volcano with two very distinct lead isotope ratios in its summit lavas. Lavas with higher lead isotope ratios come from Halema’uma’u Crater whereas lavas with lower ratios erupted near the caldera rim

The different lead isotopes suggest there are two magma sources beneath Kilauea’s summit.

The deeper source for Kilauea’s eruptions, as with all of Hawaii’s volcanoes, is a mantle plume beneath the oceanic crust which is the key explanation to the “hot spot” theory.

The chemistry matches up with geophysical surveys of the volcano, which have identified magma chambers under Kilauea’s summit in the same spots. One reservoir sits less than 2 km beneath Halema’uma’u Crater, where the lava lake emerged in 2008. The other reservoir is slightly deeper and larger, and rests about 2 to 4 km under the caldera’s south rim.

Separate geophysical measurements suggest the magma chambers are somewhat larger than indicated by the chemical tracing. This could mean there is more molten rock than the chemical analyses indicate.

The study was published in March 2015 in the journal Earth and Planetary Science Letters.

Source: Live Science

Kilauea source

Source:  Aaron Pietruzska / USGS.

Les surprises du Bassin de Lau (Tonga / Fidji)

drapeau francaisLe Bassin de Lau, qui se trouve entre les Tonga et les Fidji, a été créé par la collision de la plaque Pacifique avec la plaque australienne. La plaque Pacifique, plus vieille, donc plus froide et plus dense, a plongé sous la plaque australienne et s’est enfoncée dans les profondeurs le long de la fosse des Tonga. L’eau libérée par la plaque humide a abaissé le point de fusion de la roche au-dessus, provoquant la montée du magma et des éruptions qui ont formé l’arc volcanique Tonga-Kermadec.

Tonga-Kermadec-Arc

Source: Wikipedia.

Il y a 4 à 6 millions d’années, la plaque Pacifique a commencé à s’éloigner de la plaque australienne, entraînant avec elle une partie du manteau qui se trouvait en dessous. La marge de la plaque australienne s’est étirée en déchirant la dorsale et en créant un bassin dont le plancher s’est fracturé à son tour avec le temps. Le magma est remonté par ces fractures, ce qui a créé de nouveaux centres d’expansion.

La zone de subduction des Tonga est célèbre en sismologie, car deux tiers des séismes profonds de notre planète se produisent dans cette région où la subduction est plus rapide que partout ailleurs dans le monde. Dans la partie nord,  la plaque s’enfonce à une vitesse d’environ 24 centimètres par an, soit près d’un mètre tous les quatre ans ! C’est quatre fois plus vite que la faille de San Andreas.
Dans le numéro de Février de la revue Nature, une équipe de chercheurs de l’Université de Washington à St. Louis, a publié une image sismique tridimensionnelle du manteau sous le Bassin de Lau dans le Pacifique Sud qui montre une étrange  anomalie. L’image s’appuie sur 200 séismes enregistrés par 50 sismographes installés au fond de l’océan dans le Bassin de Lau en 2009 et 2010 et 17 sismographes installés sur les îles Tonga et Fidji.
Le Bassin de Lau est un endroit idéal pour étudier le rôle de l’eau dans les processus volcanique et tectonique. Comme le Bassin est en phase d’élargissement, il a beaucoup de centres d’expansion par lesquels le magma monte vers la surface. Comme il est en forme de V, ces centres se situent à des distances variables de la fosse des Tonga, là où l’eau est injectée copieusement dans l’intérieur de la Terre.
Les scientifiques savaient que la composition chimique du magma émis lors des éruptions dans ces centres d’expansion varie avec la distance par rapport à la fosse. Ceux au nord, vers l’ouverture du V, produisent un magma plus sec que ceux du sud, à proximité de la pointe du V, où le magma contient plus d’eau et d’éléments chimiques liés à l’eau. Comme l’eau abaisse la température de fusion de la roche, les centres d’expansion au nord produisent également moins de magma que ceux au sud.
Avant d’élaborer les images à partir de leurs données sismiques, les scientifiques s’attendaient à ce que la situation dans le manteau corresponde à celle en surface. En particulier, ils pensaient davantage trouver la roche en fusion vers le sud, là où la teneur en eau dans le manteau est la plus forte. Au lieu de cela, les images sismiques ont révélé moins de magma en fusion dans le sud que dans le nord.
Après un long débat, ils sont arrivés à la conclusion que l’eau augmente la fusion mais rend le matériau moins visqueux, ce qui accélère sa remontée vers la surface, un peu comme du miel qui coule plus vite quand on y ajoute de l’eau.
Cette découverte a permis aux scientifiques de faire un pas de plus dans la compréhension du cycle de l’eau qui affecte presque tous les processus sur notre planète, et pas seulement les nuages et les rivières à sa surface. Elle joue également un rôle important dans les processus qui ont lieu dans le silence et l’obscurité des profondeurs de la Terre.
Source: Université de Washington à St. Louis

Lau-Basin-2 Une image sismique d’une partie du Bassin de Lau à une profondeur de 50 kilomètres montre comment le magma s’accumule au nord sous les zones qui ne sont pas affectées par le rift (rouge foncé) et n’offrent que très peu de passage au magma (jaune pâle) le long de l’extrémité sud du centre d’expansion oriental du Bassin de Lau, même si cette région est fortement volcanique (Source: Université de Washington).

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drapeau anglaisThe Lau Basin, which lies between the island archipelagos of Tonga and Fiji, was created by the collision of the Pacific plate with the Australian plate. The older, thus colder and denser, Pacific plate plunged under the Australian plate and sank into the depths along the Tonga Trench. Water given off by the wet slab lowered the melting point of the rock above, causing magma to erupt and form a volcanic arc, called the Tonga-Kermadec ridge.

About 4 to 6 million years ago, the Pacific slab started to pull away from the Australian slab, dragging material from the mantle beneath it. The Australian plate’s margin stretched, splitting the ridge, creating the basin and, over time, rifting the floor of the basin. Magma upwelling through these rifts created new spreading centers.

The Tonga subduction zone is famous in seismology  because two-thirds of the world’s deep earthquakes happen there and subduction is faster there than anywhere else in the world. In the northern part of this area the plate is sinking at about 24 centimetres per year, or nearly a metre every four years. That’s four times faster than the San Andreas fault is moving.

In the February issue of Nature, a team of scientists of Washington University in St. Louis, published a three-dimensional seismic image of the mantle beneath the Lau Basin in the South Pacific that had an intriguing anomaly. It is based on the images of 200 earthquakes picked up by 50 ocean-bottom seismographs deployed in the Lau Basin in 2009 and 2010 and 17 seismographs installed on the islands of Tonga and Fiji.

The Lau basin is an ideal location for studying the role of water in volcanic and tectonic processes. Because the basin is widening, it has many spreading centres through which magma rises to the surface. Because it is shaped like a V, these centres lie at varying distances from the Tonga Trench, where water is copiously injected into the Earth’s interior.

The scientists knew that the chemistry of the magma erupted through the spreading centers varies with their distance from the trench. Those to the north, toward the opening of the V, erupt a drier magma than those to the south, near the point of the V, where the magma has more water and chemical elements associated with water. Because water lowers the melting temperature of rock, spreading centres to the north also produce less magma than those to the south.

Before they constructed images from their seismic data, the scientists expected the pattern in the mantle to match that on the surface. In particular they expected to find molten rock pooled to the south, where the water content in the mantle is highest. Instead the seismic images indicated less melt in the south than in the north.

After considerable debate, they suggested water increases melting but makes the melt less viscous, speeding its transport to the surface, a bit like mixing water with honey makes it flow quicker.

Source: Washington University in St. Louis.

 

Kilauea (Hawaii): L’importance du travail sur le terrain // The importance of field work

drapeau francaisLe dernier article hebdomadaire de Volcano Watch, écrit par des scientifiques de l’Observatoire Volcanologique d’Hawaï (HVO), est dédié à Mike Poland, un scientifique qui a travaillé au HVO pendant les dix dernières années et est sur le point de retourner à l’Observatoire des Cascades, géré par l’USGS à Vancouver (Etat de Washington).
Mike Poland est l’un de ces scientifiques que je apprécie beaucoup parce qu’il ne passe pas son temps assis dans un laboratoire en face d’un ordinateur à faire des simulations. Il est l’un de ceux qui vont sur le terrain faire des observations quotidiennes sur le comportement du Kilauea.
Mike a accompli un énorme travail de recherche, mais il a aussi formé un grand nombre d’étudiants et de jeunes chercheurs, dont la plupart ont poursuivi des carrières dans le domaine des sciences de la Terre. Au HVO, il a concentré son travail sur les déformations d’un édifice volcanique provoquées par les mouvements du magma et les séismes. Il a aussi essayé de voir dans quelle mesure ces changements de morphologie peuvent être mesurés par interférométrie radar (InSAR). Il s’est alors vite rendu compte que la surveillance volcanique nécessite un travail d’équipe interdisciplinaire et de l’innovation.
Dans le cadre d’un travail d’équipe, Mike Poland a participé avec des collègues du HVO à une étude qui associe des mesures de déformation, les émissions de gaz, les quantités de lave émise, la chimie de la lave et la sismicité, des paramètres qui ont révélé une augmentation spectaculaire de l’alimentation magmatique du Kilauea. Cette étude – la première du genre – a montré comment des informations sur les variations d’alimentation sur une courte période de temps peuvent aider à prévoir le comportement éruptif d’un volcan. L’augmentation d’alimentation du Kilauea a commencé fin 2003 et a abouti à l’ouverture d’une nouvelle bouche sur l’East Rift Zone en 2007. Elle a probablement contribué également à l’ouverture de la bouche dans le cratère de l’Halema’uma’u en 2008.
Grâce au travail de Mike, nous savons que l’ouverture de la bouche dans l’Halema’uma’u est en fait l’aboutissement d’un processus qui a commencé il y a plusieurs décennies. En analysant des mesures de microgravité sur le Kilauea, le scientifique a pu identifier une accumulation de magma dans la zone située sous la bouche et qui n’avait pas été détectée par d’autres techniques. Suite à ces observations, Mike a créé des instruments pour enregistrer en continu les moindres variations du champ de gravité sur le Kilauea. Il a alors constaté que la densité de la partie supérieure du lac de lave de l’Halema’uma’u est beaucoup plus faible que prévu. Elle est inférieure à la densité de l’eau, ce qui signifie que la lave est extrêmement riche en gaz, un peu comme la mousse à la surface de la bière.
Dans le cadre de la célébration du centenaire du HVO en 2012, Mike Poland a proposé de réunir des chercheurs du monde entier afin de faire le point sur ce que l’on sait du volcanisme basaltique, et de présenter les questions importantes qui restent sans réponse. Il a contribué à la rédaction de « Volcans d’Hawaï: De la source à la surface, » une publication qui a fait suite à cet événement.

Source: Hawaii 24/7.

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drapeau anglaisThe latest weekly article of Volcano Watch, written by scientists at the Hawaiian Volcano Observatory, is dedicated to Mike Poland, a scientist who has worked at HVO for the past ten years and is about to return to the USGS Cascades Volcano Observatory in Vancouver, Washington.

Mike Poland is one of those scientists I very much appreciate because he does not spend all his time sitting in a lab in front of a computer. He is one of those who go on the field, making daily observations on the behaviour of Kilauea volcano. 

Mike Poland has accomplished a tremendous amount of research, but also mentored a vast number of students and young researchers, most of whom have pursued geoscience careers. At HVO, he focussed his work on deformation changes in the shape of a volcano resulting from magma movement and earthquakes, particularly in how those changes can be measured with satellite radar (InSAR). He quickly realized, however, that volcano monitoring requires cross-disciplinary teamwork and innovation.

As an example of teamwork, Mike Poland collaborated with HVO colleagues on a study that combined deformation measurements with gas emissions, lava eruption rates, lava chemistry and seismicity to reveal a dramatic increase in magma supply rate to Kilauea. This study – the first of its kind – showed how information about supply rate changes on a short timescale can help forecast the eruptive behaviour of the volcano. The surge in supply started in late 2003 and led to the start of a new, long-lived volcanic vent on the East Rift Zone in 2007, and probably contributed to the opening of Kilauea’s summit vent in 2008.

Through Mike’s work, we also know that the opening of the summit vent was actually the result of a process that began decades ago. Analyzing data from microgravity measurements on Kilauea, he helped identify an accumulation of magma in the area beneath the current summit vent that had not been detected by any other means. As a result of these observations, he established instruments to continuously record subtle changes in the gravity field on Kilauea. He then realised that the density of the upper part of the summit lava lake is much lower than expected – less than the density of water – implying that the lava is extremely gas-rich, similar to the foam on beer.

As part of HVO’s centennial celebration in 2012, Mike Poland spearheaded an initiative to convene researchers from around the world to explore what is known about basaltic volcanism and the important questions still to be answered. He contributed to and edited “Hawaiian Volcanoes: From Source to Surface,” a publication resulting from that conference.

Source: Hawaii 24/7.

Halema'uma'u-blog

Vue de la bouche dans l’Halema’uma’u  (Photo:  C.  Grandpey)