Mesure et cartographie des gaz sur le Kilauea (Hawaii) // Measuring and mapping gases on Kilauea (Hawaii)

Un nouvel article publié par l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) aborde un sujet fort intéressant: la mesure et de la cartographie des émissions de gaz sur le volcan Kilauea. Comme le répétait fort justement Haroun Tazieff, les gaz sont le moteur des éruptions. Leur analyse est donc essentielle pour comprendre comment fonctionne un volcan.

De grandes quantités de gaz volcaniques, tels que le dioxyde de carbone (CO2), le dioxyde de soufre (SO2) et le sulfure d’hydrogène (H2S), sont libérés dans l’atmosphère lors des éruptions volcaniques. Mais même entre les éruptions, de plus petites quantités de ces mêmes gaz continuent de s’échapper du sol et peuvent fournir des indications importantes sur l’état d’un volcan et sur le magma qui sommeille dans les profondeurs de la Terre.

Pour mesurer ces gaz, les scientifiques du HVO doivent d’abord identifier leur provenance. Des études sur le terrain à propos des émissions gazeuses dans la caldeira du Kilauea ont été réalisées dans le passé, mais aucune n’a été effectuée dans la caldeira dans son ensemble. Et aucune étude n’a été entreprise depuis l’éruption de 2018.

Au cours de l’été 2021, les scientifiques du HVO ont donc mené une étude détaillée des gaz sur le plancher et en bordure de la caldeira afin de comprendre la répartition des émissions actuelles. Les résultats seront comparés aux observations précédentes ; si des différences sont détectées, elles peuvent indiquer que le système d’alimentation au sommet du Kilauea s’est modifié en raison des effondrements survenus lors de l’éruption de 2018.

Les mesures de gaz volcaniques peuvent être effectuées à l’aide d’un MultiGAS qui pompe de l’air puis enregistre les concentrations de CO2, SO2 et H2S, plus la vapeur d’eau, en parties par million (ppm). Ces instruments MultiGAS peuvent être installés en permanence dans une zone particulière ou montés à bord d’un drone, en fonction de la zone à analyser et du type de données requises.

Pour la cartographie des gaz dans la caldeira du Kilauea au cours de l’été 2021, deux instruments MultiGAS ont été montés sur des supports dorsaux et les scientifiques du HVO ont parcouru la caldeira dans tous les sens, tout en collectant des données en continu. Leurs itinéraires de marche étaient espacés de 25 à 50 mètres afin de couvrir aussi bien la bordure de la caldeira que tout le plancher, ou bien la zone de blocs d’effondrement de l’éruption de 2018.

Même si ce travail a permis de couvrir tout le plancher de la caldeira, il restait des endroits eux aussi intéressants à analyser. Souvent, les émissions de gaz se concentrent le long de fissures ou de cavités qui permettent au gaz d’accéder facilement à la surface. De tels panaches peuvent être facilement observés dans diverses parties du plancher de la caldeira et dans des zones comme les Sulphur Banks et les Steam Vents dans le parc national. Des panaches comme ceux-ci sont souvent de bons indicateurs des endroits où les concentrations de gaz sont les plus élevées. De plus, au fur et à mesure que les gaz montent vers la surface depuis la chambre magmatique, ils interagissent avec et modifient les roches, entraînant des changements de couleur. Les zones de roches altérées peuvent révéler des émissions de gaz élevées.

Les scientifiques ont également collecté des échantillons de gaz dans des zones présentant des concentrations élevées de CO2 pour des analyses en laboratoire. Une grande seringue en plastique a été utilisée pour prélever l’échantillon qui a ensuite été transféré dans un récipient conçu pour contenir le gaz. La majorité des échantillons ont été prélevés sur les blocs d’effondrement de 2018 mentionnés précédemment car cette zone présente les concentrations les plus élevées de CO2.

Les analyses chimiques des différents isotopes de carbone dans le CO2 contenus dans ces échantillons peuvent fournir des informations sur l’emplacement du magma qui émet ces gaz. Cela permet aussi de savoir s’il s’agit d’un magma juvénile profond qui n’a encore jamais dégazé, ou d’un magma plus ancien qui a déjà été stocké pendant un certain temps dans le système d’alimentation du Kilauea.

La cartographie du plancher de la caldeira est maintenant terminée, mais les parois et le plancher du cratère de l’Halema’uma’u n’ont pas encore été cartographiés. Ils sont le site de nombreux bouches de gaz. Ces zones sont impossibles à parcourir à pied; la prochaine étape consistera donc à utiliser un MultiGAS monté sur drone.

Au final, les scientifiques du HVO produiront une nouvelle carte des émissions de gaz dans la caldeira du Kilauea en utilisant les données collectées au cours de l’été 2021. La carte sera essentielle pour déterminer si les remontées de gaz depuis le magma profond vers la surface ont été modifiées par les effondrements de 2018.

Source : USGS / HVO.

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A new article released by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) deals with the measuring and mapping of gas emissions on Kilauea Volcano.

Large quantities of volcanic gases, such as carbon dioxide (CO2), sulfur dioxide (SO2), and hydrogen sulfide (H2S), are released into the atmosphere during volcanic eruptions. But even between eruptions, smaller amounts of the same gases continue to escape and can provide important clues about the current state of the volcano and the underlying magma. But to measure them, HVO scientists first must identify where gas is coming from.

Surveys of the gas emissions from the Kilauea caldera have been done in the past but never of the entire caldera at one time. And none had been done yet after the 2018 eruption.

Over the summer of 2021, HVO scientists conducted a detailed gas survey of the caldera floor and rim in order to understand the distribution of current emissions. The results will be compared to previous surveys; if differences are detected, they may indicate that the plumbing system of Kīlauea’s summit has changed because of the 2018 collapses.

Measurements of volcanic gases can be done using a MultiGAS instrument, which pumps in air and then records the concentrations of CO2, SO2, and H2S, plus water vapor, in parts per million (ppm).

These MultiGAS instruments can be permanently stationed at an area of interest, or mounted on a drone, depending on the location and type of data needed.

For the gas mapping in the Kilauea caldera during the summer 2021, two MultiGAS instruments were mounted on backpack frames and HVO scientists walked across and around the caldera while continuously collecting data. Their routes were spaced 25 to 50 metres apart and covered areas of the caldera rim, the caldera floor, and the down-dropped block that collapsed during the 2018 eruption.

Even though the survey covered the whole caldera floor, there were more interesting spots to analyse. Often gas emissions are concentrated along cracks or holes in the ground which provide the gas an easy path to the surface. Visible plumes can be seen in various parts of the caldera floor and at the Haʻakulamanu Sulphur Banks and Steam Vents within the National Park. Visible plumes of gas like this are often good indicators of where the gas concentrations may be elevated.

As gases rise towards the surface from the magma below, they interact with and alter the rocks in the area, resulting in colour changes. Looking for this altered rock is another way to identify areas that may have elevated gas emissions.

The scientists also collected gas samples from areas that had elevated concentrations of CO2 for later laboratory analyses. A large, plastic syringe was used to collect the sample which was then transferred to a foil bag designed for holding gas. The majority of the samples were collected on the down-dropped block, as that area showed the highest concentrations of CO2.

Chemical analyses of the different forms (isotopes) of carbon in the CO2 from these samples can provide information about where the magma that is releasing these gases is located, and whether it is new, deep magma that has never degassed before, or older magma that had already been stored for some time in Kilauea’s plumbing system.

While the caldera floor mapping is now complete, the walls and floor of Halemaʻumaʻu crater have not yet been mapped and are the site of many visible gas vents. These areas are impossible to traverse by foot, so the next step is to use a UAS-mounted MultiGAS to measure gases there..

HVO scientists will produce a new map of gas emissions in the Kilauea caldera using the data collected during the summer 2021. The map will be key to determining if gas pathways from deep magma to the surface were changed by the collapses in 2018.

Source: USGS / HVO.

SulphurBanks

Steam Vents

Emissions de gaz dans le cratère de l’Halema’uma’u en 2011

Photos: C. Grandpey

L’art de cartographier les coulées de lave // The art of mapping lava flows

Lors de la récente éruption* du Kilauea dans la Lower East Rift Zone (LERZ), le HVO (géré par l’USGS) a régulièrement diffusé les cartes des coulées de lave afin d’informer le public. Ce n’était pas la première fois que de tels documents étaient mis à la disposition du public ; en effet, des cartes semblables montrant les coulées en provenance du Pu’uO’o avaient déjà été diffusées sur le site web du HVO pendant de nombreuses années.
Voici comment ces cartes sont élaborées par le personnel du HVO : Des programmes informatiques connus sous le nom de Geographic Information Systems (SIG) sont utilisés par les cartographes de l’USGS depuis de nombreuses années. À l’aide d’un logiciel SIG disponible dans le commerce, l’utilisateur crée une série de «couches» incluant des données telles que les routes et les frontières politiques qui, mises ensemble, forment une carte.
Lorsque le magma est entré dans la LERZ au début du mois de mai 2018, le HVO a préparé un modèle de carte de la région prêt à être diffusé rapidement si la lave faisait surface. La première fracture éruptive s’est ouverte dans la subdivision des Leilani Estates en fin d’après-midi le 3 mai et le HVO a publié sa première carte dès le lendemain matin.
Lors de la conception de cette carte, les cartographes, à l’aide du programme SIG, ont pris en compte diverses règles logiques pour symboliser et superposer les différentes couches. Par exemple, les routes sont représentées en nuances de gris car d’autres couleurs pourraient prêter à confusion ; le bleu est souvent utilisé pour les ruisseaux ou les pentes les plus raides et le rouge est réservé aux coulées de lave. Dans la superposition des couches, une coulée de lave est toujours en haut, car elle détruit tout ce qui se trouve sur son passage. Une route apparaissant au-dessus d’une coulée de lave suggérerait qu’elle a survécu ou a été reconstruite récemment.
Les cartes de la LERZ ont également été fortement influencées par les cartes précédentes à propos du Pu’uO’o. L’utilisation d’un même style cartographique pour le Pu’uO’o et la LERZ ne créait pas de confusions chez les personnes habituées à visualiser les premières sur le site web du HVO.
Pendant la première semaine d’éruption dans la LERZ en 2018, les coulées de lave furent difficiles à cartographier car elles sont restées près des fractures dans les Leilani Estates où la végétation masquait leur progression. Cartographier la lave à pied, qui avait été fréquemment pratiqué pour les coulées du Pu’uO’o, était trop dangereux dans les Leilani Estates en raison de la difficulté d’atteindre des issues de secours.
En conséquence, le HVO a tout d’abord représenté les fractures éruptives par de simples pointillés sur les premières cartes. Plus tard, à mesure que la lave envahissait Lower Puna, les images satellitaires furent d’une aide précieuse pour cartographier le champ d’écoulement de la lave. Cela a permis aux géologues de dessiner des polygones à deux dimensions autour des coulées de lave mises en place depuis la mise à jour précédente. Après avoir associé ces nouvelles données à celles obtenues sur le terrain par les équipes de l’USGS, les polygones ont été ajoutés en rouge vif à la carte de l éruption. Lorsque les vues satellitaires n’étaient pas disponibles, les polygones étaient calculés à l’aide d’un processus similaire à partir de cartes thermiques obtenues par hélicoptère.
Le processus de création de polygones à partir d’images satellitaires ou thermiques peut prendre quelques heures. Le problème, c’est que la vitesse de progression de certaines coulées de lave dans la LERZ pouvait très rapidement rendre ces cartes obsolètes. Cela a conduit les analystes SIG à utiliser des méthodes de cartographie plus efficaces. Par exemple, certaines cartes publiées à la fin du mois de mai et au début du mois de juin 2018 montraient à l’aide d’une simple flèche et d’un point le front de coulée qui avait été localisé quelques minutes auparavant lors du survol en hélicoptère. Si les photographies aériennes permettaient d’avoir des points de repère, il était alors possible, pour les analystes SIG, d’esquisser les fronts des coulées sur les images satellitaires. Ces méthodes ont accéléré le processus de cartographie lorsque le besoin d’informations devenait crucial.
Chaque éruption volcanique est différente et, la prochaine grande éruption hawaïenne* nécessitera probablement de nouvelles méthodes, encore plus innovantes, de cartographie des coulées de lave.
Source: USGS / HVO.

* Les expressions «récente éruption dans la Lower East Rift Zone» et «prochaine grande éruption hawaiienne» semblent indiquer que le HVO a finalement admis que l’éruption qui a eu lieu entre mai et août 2018 est définitivement terminée!

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During Kilauea Volcano’s recent lower East Rift Zone (LERZ) eruption*, the USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO) regularly released lava-flow maps to inform the public about the situation. This was not the first time such maps have been in the public eye, as regular maps of Pu’uO’o lava flows have been posted to HVO’s website for many years.

Here is how these maps are worked out by the HVO staff. Computer programs known as Geographic Information Systems (GIS) have been the preferred tool of USGS cartographers for many years. Using commercial GIS software, the user creates a stack of “layers,” such as roads and political boundaries that together form a map.

When magma intruded into the LERZ in early May 2018, HVO prepared a template map of the region that could be ready for rapid distribution if/when lava erupted to the surface. The first eruptive fissure opened in the Leilani Estates subdivision in the late afternoon of May 3rd, and HVO released its first eruption map the next morning.

In designing this map, GIS analysts considered various logical rules for symbolizing and stacking the layers. For example, roads are shown in shades of gray because other colours could cause confusion, with blue often used for streams or paths of steepest descent, and red reserved for lava flows. In the stacking order, a lava flow is always on top, because it effectively destroys everything that was once in its place. A road shown on top of a lava flow would suggest that it survived or was recently rebuilt.

The LERZ map was also heavily influenced by earlier Pu’uO’o maps. Using a similar cartographic style helped ensure that the LERZ eruption maps were familiar to people accustomed to viewing maps on HVO’s website.

For the first week of the 2018 LERZ eruption, lava flows proved difficult to map, as they stayed close to the fissures in Leilani Estates, where vegetation obscured aerial views of their margins. Mapping the lava on foot, which had been common for Pu’uO’o flows, was too dangerous because of the difficulty to get to exit routes.

As a result, HVO initially used simple dots to depict the eruptive fissures on early maps. Later, as the lava inundation in Lower Puna grew more expansive, satellite views became the preferred method of mapping the flow field. This allowed geologists to draw two-dimensional polygons around lava flows that had been emplaced since the previous update. After associating these new data with field checks by USGS crews, the polygons were added to the eruption map in bright red. When satellite views were unavailable, polygons were derived using a similar process from helicopter-collected thermal maps.

The process of drawing polygons from satellite or thermal imagery could take a few hours. Unfortunately, the speed at which some LERZ lava flows advanced could render those maps obsolete almost immediately. This led GIS analysts to employ more aggressive methods of mapping. For example, some maps posted in late May and early June 2018 showed a simple arrow and point for the flow front, which had been pinpointed only minutes before during a helicopter overflight. If aerial photographs included landmarks, it was possible for GIS analysts to sketch the flow fronts onto pre-eruption satellite images. These methods accelerated the map-making process when the need for information became most critical.

Every volcanic eruption is different, and certainly the next major Hawaiian eruption* will require new, and even more innovative, methods of lava-flow mapping.

Source: USGS / HVO.

* The expressions “recent lower East Rift Zone eruption” and “the next major Hawaiian eruption” seem to suggest that HVO has finally admitted that the May-August 2018 eruption is definitely over!

Sur cette carte, des polygones rouge vif ont été dessinés par les analystes SIG de l’USGS autour de coulées de lave nouvelles ou actives, situées dans la LERZ. Elles apparaissent de couleur plus claire en raison de leur température élevée sur cette carte thermique. Créée lors d’un survol en hélicoptère le 9 mai 2018, cette carte montre les fractures 6 (à gauche) et 15 (à droite) avec Pohoiki Road entre les deux bouches éruptives. (Source: USGS).

Cette carte de la Lower East Rift Zone du Kilauea, mise au point par les analystes SIG de l’USGS, montre l’étendue des coulées de lave émises (en rose) lors de la dernière éruption. Elles couvrent une superficie d’environ 35,5 km2. Il n’y a pas eu d’accroissement des coulées de lave depuis le 9 août 2018. Une activité mineure a été observée dans la Fracture n°8 au début du mois de septembre 2018, mais elle n’a pas eu d’influence sur les marges de la coulée principale. Les zones de couleur violette représentent des coulées de lave émises en 1840, 1955, 1960 et 2014-2015. (Source : USGS)

Cartographie du champ de gravité terrestre // Mapping of the Earth’s gravity field

drapeau francaisUn article paru sur le site de la BBC / Science and Environment (http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-25911846) nous apprend que le satellite Goce, lancé par l’Agence Spatiale Européenne, qui cartographiait le champ de gravité terrestre, s’est finalement désintégré lors de son retour dans l’atmosphère. Au cours de sa mission il a transmis entre mars 2009 et novembre 2013 des données et des images très intéressantes sur l’intérieur de la Terre. Ainsi, les données sur la gravité ont permis de détecter les variations de densité des roches jusqu’à plus de 2000 km de profondeur.

Les cartes confectionnées à l’aide de ces données montrent, entre autres, les variations verticales de la matière avec les phénomènes géologiques qui en découlent, comme le mouvement des plaques tectoniques et, par voie de conséquence, l’activité sismique et volcanique.

Grâce au satellite Goce, les scientifiques ont pu obtenir des informations supplémentaires sur la propagation des ondes sismiques.

Les données transmises par le satellite ont également permis de repérer d’anciennes zones de subduction sous l’Asie et le long des Amériques.

Grâce à sa capacité à repérer la répartition irrégulière des masses à l’intérieur de la Terre, Goce a permis aux scientifiques de cartographier le Moho, cette discontinuité qui marque la limite entre la croûte terrestre et le manteau.

http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2012/03/Global_Moho_from_GOCE

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drapeau anglaisAn article to be read on the BBC / Science and Environment website (http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-25911846) informs us that the Goce satellite that was launched by the European Space Agency finally disintegrated when entering the atmosphere. During its mission, it transmitted between March 2009 and November 2013 interesting data and images of the interior of the Earth. Thus, the gravity data allowed to detect variations in the density of the rocks as deep as 2,000 kilometres.

The maps are showing, among others, how material moves up and down, with the geologiocal phenomena this entails, like the movement of tectonic plates and, as a consequence, seismic and volcanic activity.

Thanks to the Goce satellite, scientists could obtain additional information about the propagation of seismic waves.

The data transmitted by the satellite also enabled to detect ancient subduction zones running deep under Asia and along the Americas.

Thanks to its ability to sense the uneven distribution of mass through the Earth, Gocehas already allowed scientists to map the Moho, the famous discontinuity between the Earth’s crust and the mantle.

http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2012/03/Global_Moho_from_GOCE