Calibrage des gravimètres sur le Mauna Kea (Hawaii) // Calibrating gravimeters on Mauna Kea (Hawaii)

Un nouvel article publié par l’Observatoire des Volcans d’Hawaii, le HVO, nous explique comment la mesure de la gravité sur le Mauna Kea permet de surveiller le Mauna Loa. Au début de l’article, un scientifique conduit son 4X4 entre Hilo et le sommet du Mauna Kea avec deux gravimètres identiques à l’intérieur de son véhicule. Il s’arrête une demi-douzaine de fois au niveau de points de repère (benchmarks) installés depuis les années 1960. C’est ici qu’il va utiliser les deux gravimètres pour mesurer les variations d’intensité du champ de pesanteur.

Les gravimètres sont des instruments extrêmement précis capables de mesurer les variations de force gravitationnelle avec une précision de l’ordre du milligal [Le milligal, mgal, correspond à un millième de gal qui est l’unité CGS d’accélération (1 gal = 1 cm/s2)]. Cette force varie en fonction de la distance et de la quantité de masse entre l’instrument et le centre de la Terre. Tout comme la pression atmosphérique, elle varie en fonction de l’altitude. Plus on monte en altitude, plus on s’éloigne du centre de la Terre et plus la force gravitationnelle est faible. Cet effet d’élévation est la principale contribution aux changements de gravité mesurés sur le Mauna Kea. Les variations du champ de pesanteur ne sont pas aussi perceptibles que le changement d’atmosphère (il est difficile de respirer au sommet), mais une personne de taille moyenne pèse environ 150 grammes de moins – le poids d’une orange – au sommet du Mauna Kea que dans la ville de Hilo!

Depuis les années 1970,  les scientifiques mesurent les  petits changements de gravité (microgravité), variables avec le temps, sur le Mauna Loa et le Kilauea pour savoir si du magma s’accumule dans leurs réservoirs magmatiques. Cette intrusion magmatique ouvre et remplit souvent des fractures et / ou des espaces vides à l’intérieur de l’édifice volcanique, ce qui provoque une augmentation de la masse du volcan qui peut être mesurée avec un gravimètre.

La mesure de la gravité est un moyen de savoir ou de confirmer si l’inflation en cours, comme celle observée sur le Mauna Loa depuis 2014, est provoquée par l’arrivée d’un nouveau magma à l’intérieur du volcan. Comme indiqué précédemment, les gravimètres sont des appareils extrêmement précis et sensibles et ils nécessitent un étalonnage régulier. Comme l’effet principal mesuré provient des changements d’altitude, il est nécessaire de calibrer les gravimètres sur le Mauna Kea pour mesurer les changements provoqués par l’activité volcanique du Mauna Loa (4170 m). Le Mauna Kea (4207 m) convient parfaitement car il n’est pas influencé par l’activité volcanique étant donné que la dernière éruption du volcan remonte à plus de 4 500 ans.

Sans le Mauna Kea, les scientifiques du HVO devraient envoyer pour calibrage les gravimètres en Californie, avec le risque qu’ils soient endommagés pendant le voyage. La possibilité de calibrer les gravimètres du HVO sur Mauna Kea permet de concevoir un programme de surveillance gravimétrique pour mieux comprendre l’activité volcanique du Mauna Loa. Parallèlement à la déformation du sol et à la sismicité, les levés gravimétriques permettent de détecter la quantité de magma qui arrive lentement dans la chambre magmatique superficielle du Mauna Loa.

Source: USGS / HVO.

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A new article released by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explains us how measuring gravity on Mauna Kea helps monitor Mauna Loa. The Observatory starts the article with a scientist driving between Hilo and the summit of Mauna Kea with two identical gravimeters in his car. He stops approximately half a dozen times at a series of benchmarks established beginning in the 1960s. At these benchmarks, the scientist uses the two gravimeters to measure the variation of the force in gravity.

Gravimeters, essentially extremely precise pendulums, can measure a change in the force of gravity to one-in-one billionth of the force one can feel every day. This force varies based on the distance and the amount of mass between the instrument and the center of the Earth.

Just like atmospheric pressure, the force of gravity changes depending on altitude. The higher in elevation one goes, the farther away one gets away from the centre of the Earth, and the weaker the force of gravity. This elevation effect is the primary contribution to changes in gravity measured on Mauna Kea. The changes in gravity are not as noticeable as the change in the atmosphere (it’s hard to breathe at the summit), but the average person also weighs about one-third of a pound less – the weight of an orange – at the summit of Mauna Kea than in Hilo!

Since the 1970s, small changes in time-varying gravity (microgravity) have been measured on Mauna Loa and Kilauea, both active volcanoes, to determine whether magma is accumulating in their magma reservoirs. This intruding magma often opens and fills cracks and/or empty spaces, causing a net increase in the volcano’s mass that can be measured with a gravimeter.

Measuring the gravity is an independent way to confirm whether ongoing uplift, like that occurring at Mauna Loa since 2014, is from new magma intruding into the volcano.

The precision and sensitivity of the gravimeters make them extremely delicate, and they require regular calibration. As the dominant effect that is measured is from changes in elevation, the ability to measure volcanic changes on the high elevations of Mauna Loa (4,170 m) requires to calibrate the instruments over similar elevations on Mauna Kea where there is currently no influence from volcanic activity. The volcano’s last eruption was more than 4,500 years ago.

Without Mauna Kea, HVO scientists would have to send the gravimeters back to California to be calibrated, making them susceptible to damage on their long journey. The opportunity to calibrate HVO gravimeters on Mauna Kea provides the ability to design a gravity monitoring program to help understand volcanic unrest at Mauna Loa. Along with ground deformation and seismicity, future gravity surveys could help detect how much magma is slowly being supplied to Mauna Loa’s shallow magma storage system.

Source: USGS / HVO.

Vue du Mauna Loa et du Mauna Kea (Photo : C. Grandpey)

Séisme sur le Mauna Kea (Hawaii) // Earthquake on Mauna Kea (Hawaii)

En lisant la presse hawaïenne du 14 décembre 2020, j’ai découvert un article intitulé « Un léger séisme de magnitude 4,4 secoue l’île d’Hawaï». L’événement, d’une magnitude préliminaire de M 4,4, a frappé la région de Waikoloa sur la Grande Ile dans la matinée du 14 décembre. L’USGS a indiqué que l’épicentre avait été localisé à environ 20 km au sud-est de Waimea et à 51 km à l’est-nord-est de Kailua-Kona, à une profondeur d’environ 25 km. Cela signifie que l’épicentre se trouvait sur le flanc nord-ouest du Mauna Kea (4205 m). Le séisme a été ressenti dans toute l’île et même jusqu’à Oahu. Le HVO a averti que des répliques étaient possibles et pouvaient être ressenties.

La région du Mauna Kea a une activité sismique profonde assez fréquente. Chaque année, on enregistre plus de 30 secousses généralement mineures à des profondeurs de plus de 20 km. Le flanc nord-ouest du Mauna Kea n’a connu que neuf séismes d’une magnitude supérieure à M 4,0 au cours des 60 dernières années. Les événements profonds dans la région sont très probablement provoqués par des réajustements de la croûte terrestre en raison de la lourde charge exercée par l’édifice volcanique.

La dernière éruption du Mauna Kea a eu lieu en 2460 avant notre ère.

Source: USGS / HVO.

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Reading the Hawaiian press of December 14th, 2020, I found an article entitled “mild 4.4 magnitude earthquake rattles Hawaii Island”.

The event, with a preliminary magnitude of M 4.4 struck the Waikoloa area of Hawaii Big Island in the morning of December 14th. USGS indicated that the quake was centered about 20 km southeast of Waimea and 51 km east-northeast of Kailua-Kona at a depth of about 25 km. This means the epicentre was on the northwest flank of Mauna Kea (4205 m). It was felt throughout the island and even as far as Oahu. HVO warned that aftershocks were possible and could be felt.

The region surrounding Mauna Kea volcano has persistent deep earthquake activity, with over 30 usually small earthquakes at depths greater than 20 km every year. Mauna Kea’s northwest flank has seen only nine earthquakes greater than M 4.0 in the past 60 years. Deep earthquakes in the area are most likely caused by the adjustment of the Earth’s crust due to the heavy load of Mauna Kea.

The last eruption of Mauna Kea took place in 2460 BCE.

Source: USGS / HVO.

Photo : C. Grandpey

La sismicité sous le Mauna Kea (Hawaii) // Seismicity beneath Mauna Kea (Hawaii)

Le Mauna Kea n’a pas connu d’éruptions depuis plus de 4 500 ans, mais cela ne signifie pas que c’est un volcan éteint. En fait, depuis des décennies, il cache l’un des signaux sismiques les plus étranges jamais observés sur un volcan.
Il y a plusieurs années, les sismologues de l’USGS testaient une nouvelle méthode d’analyse de la sismicité sur le Kilauea. Elle consiste à analyser des fractions de 24 heures de données sismiques afin de détecter des signaux similaires sur plusieurs appareils. Par curiosité, ils ont décidé d’étendre leurs observations au reste de l’île d’Hawaii. Ce qu’ils ont découvert est surprenant. Une étude publiée dans la revue Science en mai 2020 explique qu’ils ont détecté des séismes profonds sous le Mauna Kea, avec une répétition toutes les 7 à 12 minutes. La pollution sonore générée par le vent et les voitures à proximité, ainsi que la faible magnitude (M 1.5) des séismes avaient empêché leur détection par le réseau sismique traditionnel. .
Ces petits séismes se produisent à des profondeurs d’environ 15 – 25 km directement sous le sommet du Mauna Kea, toutes les 7 à 12 minutes avec une régularité surprenante. En outre, ces événements répétitifs apparaissent depuis au moins l’année 1999, mais il est très probable qu’ils se produisaient bien avant cette date.
Les scientifiques se sont tout d’abord montrés prudents avant d’attribuer ces séismes à des processus volcaniques car leur régularité semblait artificielle. Ils ont pris le temps d’éliminer toutes les causes possibles, comme les activités dans la zone d’entraînement de Pohakuloa ou les travaux routiers.
Un facteur permettant d’interpréter l’origine des séismes répétés et profonds du Mauna Kea est que leurs ondes sismiques sont différentes de celles des séismes classiques. Alors que les séismes classiques donnent naissance essentiellement à des événements haute fréquence, ceux du Mauna Kea sont plus prolongés, avec des fréquences plus basses. Cela signifie qu’un décrochement sur une faille n’est pas la cause de ces événements.
Les séismes basse fréquence peuvent se produire sur les volcans, mais il n’y a aucun autre exemple de ce type de répétition ou de longévité dans le monde. Au total, on a enregistré plus d’un million de secousses sismiques sur le Mauna Kea entre 1999 et 2018. Cumulée, l’énergie ainsi libérée correspond à un séisme de M 3.0 sous le volcan chaque jour. En mettant ensemble les signaux produits par ces milliers de ces séismes, on peut examiner leur forme d’onde plus en détail. Les résultats montrent que ces événements sont probablement causés par le mouvement de fluides au-dessus d’une chambre magmatique profonde. À mesure que les fluides s’élèvent, ils pénètrent dans une fissure hermétique dans sa partie supérieure. L’arrivée continue de fluide met la fissure sous pression, ce qui finit par briser l’obturation à son sommet et déclencher un séisme. La fissure se referme ensuite, et tout recommence.
La question est de savoir d’où proviennent ces fluides. La source d’alimentation réside probablement au niveau des gaz magmatiques qui se comportent comme des fluides lorsqu’ils se trouvent dans les profondeurs de la croûte terrestre. Ces gaz se séparent du magma en se refroidissant. Les grandes poches magmatiques mettent des centaines à des milliers d’années pour se refroidir, donc ce processus génère des fluides sur le long terme, ce qui pourrait expliquer la présence des séismes profonds sous le Mauna Kea.
Selon cette interprétation, les fluides sont produits par le refroidissement du magma en place. Rien n’indique toutefois qu’il y ait une ascension du magma sous le Mauna Kea. Bien que cette étude donne un aperçu intéressant des processus en cours sous le volcan, elle ne change en rien le niveau de risque volcanique du Mauna Kea. Si une éruption devait être imminente, les scientifiques de l’USGS pensent que l’ouverture d’un nouveau conduit d’alimentation s’accompagnerait d’essaims sismiques à faible profondeur pour avertir à l’avance d’une activité éruptive imminente.
Les séismes profonds qui ont été détectés par les scientifiques de l’USGS confirment que le Mauna Kea reste un volcan potentiellement actif.
Source: USGS, HVO, AVO.

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Mauna Kea volcano hasn’t erupted in over 4,500 years, but that doesn’t mean it is quiet. In fact, for decades it has been hiding one of the most unique seismic signals seen at any volcano.

Several years ago, USGS seismologists were trying out a new method to track seismicity at Kilauea Volcano. The method scans 24-hour sections of seismometer data looking for signal similarity on many instruments. Out of curiosity, they decided to look at the rest of the Island of Hawaii to see what else they might find. What they found came as a surprise. A study published in the journal Science in May 2020 describes how they detected deep earthquakes beneath Mauna Kea that repeat every 7 to 12 minutes. Noise in the seismic records from wind and nearby cars, together with the small size of the individual earthquakes (magnitude M 1.5), had prevented these earthquakes from being detected with the regular earthquake detection system.

The small, repeating earthquakes occur at depths of about 15-25 km directly beneath Mauna Kea’s summit and happen every 7 to 12 minutes with surprising regularity. Furthermore, the repeating events can be detected going back to at least 1999, but it is very likely that the repeating earthquakes were occurring even further back in time.

Scientists were initially cautious about interpreting the earthquakes due to volcanic processes because the regularity seemed man-made. It took a long period of investigation to rule out all of the possibilities, such as activity at the Pohakuloa Training Area or road construction.

One clue to the origin of the repeating, deep Mauna Kea earthquakes is that their seismic waves look different from those of ordinary earthquakes. Where regular earthquakes produce more high frequency shaking, the Mauna Kea events are more drawn out, containing lower frequencies. This means that regular slip on a fault is not responsible for the deep Mauna Kea events.

Low-frequency earthquakes are not unusual at volcanoes, but there is no other example of this kind of repetition or longevity anywhere in the world. Ultimately, over 1 million earthquakes were found from 1999 to 2018. Summing the energy release of the earthquakes gives a total that is equivalent to an M 3.0 earthquake under Mauna Kea every day. Adding together the signals of thousands of these earthquakes allows the waveform to be examined in greater detail, and the results suggest the events are caused by the movement of fluids above a deep magma chamber. As the fluids ascend, they enter a crack that is sealed at the top. The continuous flow of fluid pressurizes the crack, eventually breaking the top seal and creating the earthquake. The crack then reseals, and everything starts over again.

The question is to know where these fluids come from. The source of the fluid dupply is likely magmatic gases that behave like fluids when they are deep within the Earth’s crust. These gases separate from the magma as it cools. Large magma bodies cool over hundreds to thousands of years, so this process provides a long-term, nearly continuous supply of fluids to repeatedly drive deep earthquakes beneath Mauna Kea.

Under this interpretation, the fluids are produced from magma cooling in place. There is no evidence that magma is rising under Mauna Kea. So while this study provides important insight into processes beneath the volcano, it does not change estimates of volcanic hazard at Mauna Kea. USGS scientists expect any opening of a new conduit will be accompanied by swarms of shallow earthquakes to provide advanced warning of impending eruptive activity.

The earthquakes nonetheless underscore that Mauna Kea is classified as an active volcano.

Source : USGS, HVO, AVO.

Photos: C. Grandpey

Le plus volumineux volcan du monde // The most voluminous volcano of the world

Le plus grand, le plus beau, le plus fort ! Pas de problème, nous sommes aux Etats-Unis ! Jusqu’à présent, on savait que le Mauna Kea sur la Grande Ile d’Hawaii était la plus haute montagne du monde avec 4.207 mètres au-dessus du niveau de la mer, mais 10 210 mètres depuis le plancher océanique. On savait aussi que son voisin, le Mauna Loa, avait la masse de lave la plus importante au monde. Or, au vu d’une étude hawaïenne parue le 8 mai 2020 dans la revue Earth and Planetary Science Letters, le Mauna Loa serait largement devancé par le Pūhāhonu, deux affleurements rocheux perdus au milieu de l’océan Pacifique Nord, à 1100 kilomètres au nord-ouest d’Honolulu. En hawaïen, ce nom signifie « tortue remontant à la surface pour respirer ». Pourtant, sous cette appellation inoffensive se cache le plus grand volcan du monde.

Découverts le 2 juin 1820 par un baleinier américain, ces deux rochers du Pūhāhonu présentent une hauteur de 4.500 mètres depuis le fond de l’océan.Si la taille de cette formation géologique est déjà impressionnante, son volume l’est encore plus car cette masse ne représenterait qu’un tiers du volume total du volcan. L’autre partie se trouve sous le plancher océanique. Selon une analyse au sonar réalisée en 2014, la montagne aurait un volume de 150 000 kilomètres cubes. Les chercheurs expliquent que le volcan est si lourd qu’il a fait s’affaisser la croûte terrestre de plusieurs centaines de mètres sous son poids.

Avec un tel volume, le Pūhāhonu surclasse le Mauna Loa et ses 83 000 kilomètres cubes de roche. Il serait pratiquement deux fois plus imposant que son compatriote.

Cette taille colossale du Pūhāhonu serait due à sa situation sur un point chaud. La température extrêmement élevée du magma en provenance du manteau terrestre aurait permis une production de roche en fusion plus importante que la moyenne.

Source : D’après un article paru sur le site web de GEO.

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The biggest, the most beautiful, the strongest! Sure, we are in the United States! Until now, Mauna Kea on Hawaii Big Island has been known to be the tallest mountain in the world at 4,207 metres above sea level, but 10,210 metres measures from the ocean floor. It was also known that its neighbour, Mauna Loa, had the largest mass of lava in the world. However, in view of a Hawaiian study published on May 8th, 2020 in the journal Earth and Planetary Science Letters, Mauna Loa is largely preceded by Pūhāhonu, two rocky outcrops lost in the middle of the North Pacific Ocean, 1,100 kilometres to the northwest of Honolulu. In Hawaiian, this name means « turtle rising to the surface to breathe ». However, under this harmless designation hides the largest volcano in the world.
Discovered on June 2nd, 1820 by an American whaler, the two rocks of Pūhāhonu have a height of 4,500 metres from the bottom of the ocean. If the size of this geological formation is already impressive, its volume is even more because this mass represents only a third of the total volume of the volcano. The other part is under the ocean floor. According to a sonar analysis carried out in 2014, the mountain has a volume of 150,000 cubic kilometres. Researchers explain that the volcano is so heavy that it has caused the Earth’s crust to sag hundreds of metres under its weight.
With such a volume, Pūhāhonu outperforms Mauna Loa and its 83,000 cubic kilometres of rock. It is almost twice as imposing as his compatriot.
This colossal size of Pūhāhonu is probably due to its location on a hot spot. The extremely high temperature of the magma coming from the Earth’s mantle probably allowed a production of molten rock higher than average.
Source: Based on an article on the GEO website.

Mauna Kea et Mauna Loa (Photo: C. Grandpey)