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L’esprit d’innovation en volcanologie // Volcanology requires an innovative spirit

Tous les volcanologues savent qu’il faut être inventif lorsque l’on travaille sur le terrain. Je me souviens de l’ »autocuiseur » mis au point par le regretté François Le Guern pour prélever et analyser des gaz sur l’Etna. Personnellement, j’ai conçu une gaine de cuivre spéciale pour protéger la sonde de mon thermomètre lors des mesures de températures au milieu de gaz agressifs sur l’île de Vulcano en Sicile.
Un article écrit par des scientifiques de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) explique qu’ils continuent une longue tradition d’innovation – débutée avec la naissance du HVO en 1912 – en ce qui concerne les outils utilisés pour surveiller l’activité des volcans de l’archipel. Les géologues créent continuellement des équipements et des méthodes afin de s’adapter aux conditions changeantes et profiter des nouvelles technologies.
Par exemple, une innovation récente a été motivée par un tiltmètre défectueux logé à l’intérieur d’un trou de forage sur le flanc ouest du Mauna Loa. Le tiltmètre, qui a été installé il y a 17 ans, fonctionnait parfaitement jusqu’au jour où il a rendu l’âme. Il fait partie d’un réseau d’instruments logés en profondeur sur le Mauna Loa, avec des sismomètres, des tiltmètres et des jauges de contraintes. Ces instruments extrêmement sensibles sont logés dans des trous de forage de plus de 15 mètres de profondeur pour les protéger des effets de la température, des précipitations et des fluctuations de la pression atmosphérique susceptibles de causer des signaux parasites.
Le tiltmètre proprement dit est un tube en métal d’un mètre de long et 5 centimètres de diamètre qui contient des capteurs électrolytiques de précision capables de détecter les moindres variations d’inclinaison dans deux directions perpendiculaires. Il peut mesurer des inclinaisons inférieures à un microradian, ce qui est à peu près  la pente créée en mettant une pièce d’un centime d’euro sous l’extrémité d’une tige d’un kilomètre de long!
La difficulté consiste à faire descendre ce tube à une quinzaine de mètres dans un trou de 10 centimètres de diamètre avec un tas de câbles qui serpentent déjà à l’intérieur. Il faut positionner le tiltmètre de telle manière qu’il reste debout sans reposer sur aucun de ces câbles, ni sur les côtés du trou pendant que l’on verse du sable pour le maintenir en place. Qui plus est, il faut orienter le tiltmètre pour que ses capteurs soient alignés dans le sens nord-sud et est-ouest. Tout cela demande une bonne dose de technique !

Le HVO a trouvé une solution pour faciliter ce travail complexe. Il s’agit d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) qui a permis de concevoir une gaine qui entoure le tiltmètre tout en mettant à l’écart tous les câbles pendant que l’instrument est descendu dans le trou de forage. Cette gaine a été fabriquée à l’aide d’une imprimante 3-D qui a déposé, l’une après l’autre, plusieurs couches de thermoplastique pour réaliser un objet solide adapté à la tâche à effectuer.

Un autre appareil spécialement conçu, équipé d’une lumière et d’une caméra vidéo, maintient le tiltmètre et donne une vue en temps réel de la descente du tiltmètre à l’intérieur du trou de forage jusqu’à son positionnement final. L’installation a été couronnée de succès et le nouveau tiltmètre enregistre fidèlement les mouvements du sol sur le flanc ouest du Mauna Loa. Ces données sont envoyées au HVO via des liens radio afin que l’observatoire les reçoive en moins d’une minute. La finalité est que ce multimètre puisse alerter le plus tôt possible l’observatoire en cas d’ascension rapide du magma vers la surface, ce qui annoncerait une éruption imminente du Mauna Loa.
Source: USGS / HVO.

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All volcanologists know they have to be inventive when they are working on the field. I can remember the late François Le Guern “pressure cooker” to collect gases on Mt Etna. Personally, I devised a special copper sheath to protect the probe of my thermometer to measure temperatures on the island of Vulcano, amidst aggressive gases.

A weekly article written by scientists at the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explains that they have a long tradition of innovation when it comes to the tools that they use to monitor the status and activity of volcanoes. The tradition that started with HVO’s birth in 1912 continues to this day, with geologists continually adapting and creating equipment and methods in response to changing conditions and to take advantage of new technologies.

For example, a recent innovation was caused by a malfunctioning tiltmeter in a deep borehole on the west flank of Mauna Loa Volcano. The tiltmeter, which was originally installed 17 years ago, was fully operational before giving up. This instrument is part of a network of several deep sites on Mauna Loa that include seismometers, tiltmeters and strainmeters. These extremely sensitive instruments are housed in boreholes more than 15 metres deep to help isolate them from the effects of temperature, rainfall, and atmospheric pressure fluctuations, all of which can cause spurious signals.

The tiltmeter itself is a metal tube, one metre long and 5 centimetres in diameter, which contains precision electrolytic sensors that detect tiny tilt variations in two perpendicular directions. It can measure tilts smaller than one microradian, which is about the same as the slope created by putting a one-cent coin under one end of a board that is one kilometre long!

The difficulty lies with lowering that tube about 15 metres into a 10-centimetre diameter hole that also has a bunch of cables snaking up through it. You also have to position the tiltmeter so that it stays upright and does not rest on any of those cables or the sides of the hole while you pour sand to keep it in place. At that, you must orient the tiltmeter so that its sensors are aligned to north-south and east-west directions. This demands good engineering.

The solution HVO’s technical crew adopted was to use computer assisted drawing (CAD) software to design a specialized jig that sits around the tiltmeter and gently channels all the cables out of the way while the instrument is lowered into the borehole. The jig was manufactured using a 3-D printer, which put down layer after layer of thermoplastic to build a solid object with customized specifications.

Another specially built apparatus holds the jig, the tiltmeter, a light, and a video camera that provides a real-time view of the tiltmeter’s descent as it is lowered into the borehole and positioned at the bottom. The installation was successful, and the new tiltmeter is now faithfully recording ground tilt on the west flank of Mauna Loa. These data are sent back to HVO via radio links so that the observatory receives them in less than a minute. The finality is that this tiltmeter helps provide the earliest possible warning of rapid magma movement toward the surface, which would signal an impending Mauna Loa eruption.

Source: USGS / HVO.

Caldeira sommitale du Mauna Loa (Photo: C. Grandpey)

 

Les caméras thermiques du Kilauea (Hawaii) // Kilauea’s thermal cameras (Hawaii)

Des caméras thermiques sont utilisées par des volcanologues du monde entier depuis de nombreuses années pour étudier les processus volcaniques et détecter des signes d’éruptions imminentes.
Sur le Kilauea, les données fournies par les caméras thermiques sont utilisées pour contrôler le niveau et les mouvements du lac de lave dans le cratère de l’Halema’uma’u. Ces données permettent au personnel du HVO de mieux comprendre le comportement du lac et le fonctionnement interne du volcan. Les images thermiques montrent comment la lave est émise, comment elle dégaze et, au cours du temps géologique, comment elle modifie le paysage.
Les caméras thermiques fonctionnent en mesurant l’énergie dans la partie infrarouge à ondes longues du spectre lumineux émis. Cette énergie est ensuite traduite en une valeur de température en utilisant les principes de la physique.
Ci-dessous, on peut voir deux images thermiques (28 juillet 2017) du lac de la lave au sommet du Kilauea. Les couleurs correspondent aux températures de surface: les couleurs sombres indiquent des surfaces plus froides tandis que les couleurs claires représentent la matière en fusion ou récemment solidifiée.
L’échelle à droite de l’image ne reflète pas les températures réelles en raison de divers facteurs comme l’effet obscurcissant des gaz volcaniques. La température de la lave pour les zones les plus chaudes serait d’environ 1150 degrés Celsius. Cependant, les températures relatives restent correctes.
Le champ de vision proposé par la caméra a environ 200 mètres de large. La surface du lac se trouve à environ 120 mètres sous la caméra.
Dans ces images, obtenues le 28 juillet 2017, on peut voir une différence de morphologie de la surface du lac de lave. Elle est due à un effondrement soudain du revêtement qui recouvrait la paroi interne du cratère et qui provenait des projections de lave et de la lave accumulée quand le lac était à un niveau plus élevé.
L’image de gauche montre les conditions habituelles du lac, avec des projections sur sa bordure nord-est. On observe la circulation lente d’une douzaine de plaques de croûte à la surface du lac. Des fissures en zigzag ou droites se forment lorsque les plaques s’écartent, révélant la matière en fusion sous la croûte.
À 16h28 le 28 juillet, un gros morceau de la paroi interne du cratère s’est effondré dans le lac, laissant derrière lui une belle balafre (encerclée dans l’image de droite). L’impact de ces matériaux dans le lac de la lave a provoqué des remous qui ont persisté pendant des dizaines de minutes.
La caméra thermique de l’Halema’uma’u est opérationnelle depuis plus de six ans ; elle envoie des données 24 heures sur 24. Elle est équipée d’une lentille de 53 degrés. Elle est logée dans un boîtier qui la protège contre les intempéries, les gaz volcaniques corrosifs et les bombardements de matériaux qui se produisent de temps en temps. Le boîtier est monté sur un solide trépied. Les images sont transmises au HVO par connexion WiFi ; elles sont collectées sur des serveurs informatiques pour être diffusées sur le site web de l’observatoire et pour être transmises au personnel du HVO pour être analysées.
Le HVO gère également des caméras thermiques qui dont orientées vers le cratère du Pu’uO’o sur l’East Rift Zone du Kilauea et la caldeira Moku’aweoweo du Mauna Loa. Ces caméras capturent une image tous les 2-3 minutes. S’agissant du Pu’uO’o, si un point chaud couvre plus de cinq pour cent des images de la caméra, un programme informatique envoie un texto avec une image jointe au personnel du HVO. La caméra du Mauna Loa dispose elle aussi d’une alarme. Si une température élevée est détectée, un texto est automatiquement envoyé au HVO. Après sa réception, les scientifiques vérifient les autres données de surveillance (y compris les images de webcam plus récentes) pour voir si la lave est soudainement apparue ou s’il y a un autre sujet de préoccupation.
Au cours de l’année à venir, le HVO prévoit l’acquisition d’une nouvelle caméra thermique sur l’Halema’uma’u. Elle permettra d’acquérir des images de résolution plus élevée. Ces images de meilleure qualité permettront des analyses encore plus détaillées et amélioreront le suivi du niveau de la lave dans le lac.
Source: USGS / HVO.

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Thermal cameras have been used by volcanologists around the world for many years to study volcanic processes and search for signs of impending eruptions.

On Kilauea, data from thermal cameras are used to track the level and movements of the summit lava lake within Halema’uma’u Overlook Crater. This helps HVO better understand lake behaviour and the inner workings of the volcano. Thermal images continue to teach volcanologists how molten lava erupts, degasses and, over geologic time, changes the landscape.

Thermal cameras work by measuring energy in the long-wave infrared part of the emitted light spectrum. That energy is translated into a temperature value using principles of physics.

Here below, you can see two recent thermal images of Kilauea’s summit lava lake. Colours correspond to surface temperatures: darker colours indicate cooler surfaces and lighter colours represent molten and recently solidified lava.

The scale at right does not reflect true temperatures due to a variety of factors, including the obscuring effects of volcanic fume. Actual lava temperatures for the hottest areas in these images would be about 1150 degrees Celsius. However, relative temperatures are still correct.

The field of view in each frame is roughly 200 metres across. In this view, the lake surface is about 120 metres below the camera.

In these images, captured on July 28th, 2017, one can see a dramatic difference in lava lake surface characteristics. The difference resulted from a sudden collapse of the rocky coating left on the vent wall by spattering and previous higher stands of the lake.

The image on the left shows typical lake conditions, with spattering on the northeast lake margin. About a dozen plates of semi-solid crust on the lake surface slowly circulate. Jagged and straight cracks form as the plates pull apart, revealing molten lava beneath the crust.

At 4:28 p.m. on July 28th, a large patch of the crater wall cascaded into the lava lake, leaving behind a hot scar (circled in the right-hand image). The impact of this rocky debris falling into the lava lake caused agitation that persisted for tens of minutes.

HVO’s thermal camera at Halema’uma’u has functioned well for over six years, sending data around the clock. The camera has a 53-degree-wide lens housed in a case for protection from weather, corrosive volcanic gas, and occasional bombardment by molten spatter. The box is mounted on a well-anchored tripod. Images are transmitted by WiFi connection to HVO, where they are collected on computer servers for delivery to the observatory’s public website and to HVO staff for analysis.

HVO also maintains thermal cameras that look into the Pu’uO’o crater on Kilauea’s East Rift Zone and Moku‘aweoweo caldera atop Mauna Loa. These cameras capture an image every 2–3 minutes. At Pu‘uO’o, if a hot spot fills more than five percent of the camera images, a computer program sends a text message with an embedded image to HVO staff. The Mauna Loa camera is similarly alarmed. If high temperature is detected, a text message is automatically sent to HVO staff. Upon receiving a text, the scientists check other monitoring data (including more recent webcam images) to see if lava has suddenly appeared or if there is another cause for concern.

In the coming year, HVO expects to upgrade the Halema’uma’u thermal camera to a new model that will acquire higher resolution images. Better images will allow even more detailed analyses and enhance tracking of lava levels.

Source: USGS / HVO.

Source: USGS / HVO

En mémoire de Katia et Maurice Krafft // In loving memory of Katia and Maurice Krafft

Ces jours-ci, on a pu voir réapparaître sur les réseaux sociaux la formidable vidéo montrant le déclenchement et l’évolution d’une coulée pyroclastique sur l’Unzen en 1991. Pas besoin de simulation en laboratoire pour en comprendre le déroulement.

https://youtu.be/Cvjwt9nnwXY

Dans le même temps, le site Internet du magazine Forbes a évoqué le souvenir de Katia et Maurice Krafft, tragiquement disparus le 3 juin 1991 au cours de cette même éruption de l’Unzen.

https://www.forbes.com/sites/robinandrews/2017/07/26/heres-how-to-make-a-boat-to-sail-over-deadly-lava/#728917e155c9

Le journaliste auteur de l’article nous rappelle que l’un des rêves fous de Maurice Krafft était de descendre une coulée de lave du Mauna Loa à bord d’un « bateau ». En fait, plutôt qu’un bateau, c’était dans une capsule semblable à celle utilisée par les astronautes que Maurice voulait entreprendre ce voyage hors du commun. Malheureusement, l’Unzen ne lui en a pas laissé le temps. Sa montre est l’un des rares souvenirs qu’il a laissés au Japon.

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These days, one could see again on the social networks the dramatic video video showing the triggering and the evolution of a pyroclastic flow on Mount Unzen in 1991. There is no need of a simulation in laboratory to understand what is happening.
https://youtu.be/Cvjwt9nnwXY

At the same time, the website of Forbes magazine evoked the memory of Katia and Maurice Krafft who tragically died on 3 June 1991 during this same eruption of Mt Unzen.
https://www.forbes.com/sites/robinandrews/2017/07/26/heres-how-to-make-a-boat-to-sail-over-deadly-lava/#728917e155c9

The journalist who wrote the article reminds us that one of Maurice Krafft’s crazy dreams was to descend a lava flow from Mauna Loa aboard a « boat ». In fact, rather than a boat, it was in a capsule similar to that used by astronauts that Maurice wanted to undertake this extraordinary journey. Unfortunately, Mt Unzen did not give him time to do so. His watch is one of the few memories he left in Japan.

(Photo: C. Grandpey)

Nouvelle carte géologique du flanc nord-est du Mauna Loa // New geological map of the northeast flank of Mauna Loa

Une nouvelle « Carte géologique du flanc nord-est du Mauna Loa », l’aboutissement de nombreuses années de travail par des géologues du HVO, a récemment été publiée par  l’USGS. Le travail a été mené par John P. Lockwood et Frank Trusdell. Cette nouvelle carte a été mise à jour et remplace la « Carte géologique de l’île d’Hawaï » (1996) et la « Carte géologique de l’État d’Hawaii » (2007).
Couvrant 1 140 kilomètres carrés sur le flanc nord-est du Mauna Loa, la nouvelle carte représente une superficie égale aux îles de Molokai et Lanai réunies. La surface cartographique s’étend de l’altitude 3316 mètres jusqu’au niveau de la mer, de Pu’u’ula’ula («Colline Rouge») au sud-ouest jusqu’à Hilo au nord-est.
Le Mauna Loa s’est manifesté à 33 reprises depuis le début des descriptions écrites des éruptions en 1832. Certaines éruptions ont été précédées de brefs épisodes de sismicité, tandis que d’autres ont suivi plusieurs mois à une année de sismicité intense. Depuis 1832, sept éruptions se sont produites dans la zone couverte par la carte: 1852, 1855-56, 1880-81, 1899, 1935-36, 1942 et 1984.
La Zone de Rift Nord-Est (ZRNE) du Mauna Loa mesure environ 40 km de long et 2 à 4 km de large. Les fissures éruptives et les fractures au sol coupent les dépôts volcaniques et des coulées à l’intérieur et à proximité du sommet de la zone de rift. Au départ de la ZRNE, la lave s’écoule généralement vers le nord, l’est ou le sud, selon l’emplacement des bouches éruptives par rapport au sommet de la zone. Par exemple, lors de l’éruption du Mauna Loa en 1880-1881, les coulées se sont d’abord orientées vers le sud, en direction du Kilauea, avant de bifurquer vers le nord-est en direction de Hilo.
Bien que la plupart des bouches éruptives de la ZRNE soient à plus de 30 km de Hilo, une branche de coulée lors de l’éruption de 1880-1881 a presque atteint la baie de Hilo. En fait, la ville de Hilo est entièrement construite sur des coulées de lave en provenance de la ZRNE, la plupart d’entre elles ayant eu lieu avant 1852.
La carte montre la répartition de 105 coulées, réparties en 15 groupes d’âge allant de plus de 30 000 ans avant notre ère, jusqu’à 1984. Le schéma de couleurs adopté pour la carte est basé sur l’âge des dépôts volcaniques. Les couleurs chaudes (rouge, rose et orange) représentent des dépôts d’époques récentes, tandis que les couleurs froides (bleu et violet) représentent des dépôts plus anciens.
Du point de vue géologique, on peut déduire plusieurs faits intéressants de l’histoire géologique de la ZRNE. Par exemple, au cours des 4000 dernières années, les parties centrale et supérieure de la zone de rift étaient plus actives que la partie inférieure, peut-être en raison de la compression exercée sur la partie inférieure de la ZRNE par les volcans Mauna Kea et Kilauea tout proches.
La carte géologique fournit des informations fondamentales sur le comportement éruptif du Mauna Loa sur le long terme. Elle constitue une base à partir de laquelle des études collaboratives en géologie et en biologie pourront être lancées. La carte peut être visualisée ou téléchargée gratuitement sur le site des publications de l’USGS à cette adresse : doi.org/10.3133/sim2932A.

.Source: USGS / HVO

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A new “Geologic map of the northeast flank of Mauna Loa volcano” the culmination of many years of work by Hawaiian Volcano Observatory (HVO) geologists, was recently published by the U.S. Geological Survey (USGS). The work was spearheaded by John P. Lockwood and Frank Trusdell.

For the northeast region of Mauna Loa, this updated map supersedes the “Geologic Map of the Island of Hawaii” (1996) and the “Geologic Map of the State of Hawaii” (2007).

Encompassing 1,140 square kilometres of the northeast flank of Mauna Loa, the new map comprises an area equivalent to the islands of Molokai and Lanai combined. The mapped area extends from an elevation of 3316 m to sea level, from Pu‘u‘ula‘ula (“Red Hill”) on the southwest to Hilo on the northeast.

Mauna Loa is known to have erupted 33 times since written descriptions became available in 1832. Some eruptions were preceded by only brief seismic unrest, while others followed several months to a year of increased seismicity. Since 1832, seven eruptions occurred within the area covered by the map: 1852, 1855–56, 1880–81, 1899, 1935–36, 1942, and 1984.

The Northeast Rift Zone (NERZ) of Mauna Loa is about 40 km long and 2–4 km wide. Eruptive fissures and ground cracks cut volcanic deposits and flows in and near the crest of the rift zone. Lava typically flows from the NERZ to the north, east, or south, depending on vent location relative to the rift crest. For instance, during the 1880–1881 eruption of Mauna Loa, flows initially traveled south towards Kilauea, but later, northeast towards Hilo.

Although most of the NERZ source vents are more than 30 km from Hilo, one branch of the 1880–1881 flow nearly reached Hilo Bay. In fact, Hilo is built entirely on lava flows erupted from the NERZ, most of them older than 1852.

The map shows the distribution of 105 eruptive flows, separated into 15 age groups ranging from more than 30,000 years before present to 1984. The color scheme adopted for the map is based on the age of the volcanic deposits. Warm colors (red, pink, and orange) represent deposits from recent epochs of time, while cool colours (blue and purple) represent older deposits.

From the geologic record, we can deduce several facts about the geologic history of the NERZ. For example, in the past 4,000 years, the middle to uppermost sections of the rift zone were more active than the lower section, perhaps due to compression of the lower northeast rift zone by the adjacent Mauna Kea and Kilauea volcanoes.

The geologic map provides fundamental information on the long-term eruptive behaviour of Mauna Loa Volcano. In addition, it offers a valuable foundation from which collaborative studies in geology and biology can be launched. The map can be viewed or freely downloaded from USGS Publications at doi.org/10.3133/sim2932A.

Source : USGS / HVO.

Une image plus grande de la carte peut être téléchargée gratuitement à cette adresse:
A larger image of the map can be freely uploaded at this address :

http://cf.hawaii247.com/wp-content/uploads/2017/07/VW-2017-07-12_Mauna-Loa-NE-geologic-map_full-sheet_USGS.jpg