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Mesure et analyse des gaz sur le Kilauea (Hawaii) // Measurement and analysis of gases on Kilauea Volcano (Hawaii)

Après les géodésistes, l’Observatoire des Volcans d’Hawaii(HVO) explique le rôle joué par les géochimistes dans l’analyse du comportement du Kilauea.
Les gaz donnent des indications précieuses sur les processus volcaniques, même quand le volcan n’est pas en éruption. Les ratios de gaz émis, comme le dioxyde de carbone (CO2) et le dioxyde de soufre (SO2), peuvent renseigner les scientifiques sur la profondeur à laquelle se trouve le magma. La quantité de SO2 émise par le volcan reflète également la quantité de magma ou de lave en cours de dégazage.
Les géochimistes du HVO utilisent diverses méthodes pour contrôler les émissions de gaz du Mauna Loa et du Kilauea, avec des mesures directes et des techniques à distance. L’une des mesures les plus fréquentes concerne les émissions de SO2, afin de savoir combien de tonnes sont émises par jour. Pour cela, les géochimistes se rendent sous le panache de gaz avec un spectromètre ultraviolet. Le SO2 absorbe la lumière ultraviolette, donc lorsqu’il y a une plus grande quantité de SO2 dans le panache éruptif, une plus faible quantité de lumière ultraviolette atteint le spectromètre. Ces mesures sont actuellement effectuées toutes les 2 à 4 semaines. Par contre, pendant l’éruption de 2018, elles étaient effectuées au minimum tous les deux jours. Lorsque le lac de lave s’agitait au sommet de Kilauea, le HVO avait un réseau de spectromètres qui calculait les émissions de SO2 toutes les quelques secondes.
Les géochimistes s’appuient également sur le rapport entre le CO2 et le SO2. Les rapports de quantités de ces gaz donnent des informations sur la profondeur à laquelle se trouve le magma. Le CO2 n’absorbe pas la lumière ultraviolette comme le SO2 ; les scientifiques mesurent donc directement le CO2. Pour ce faire, ils utilisent des capteurs placés directement dans le panache de gaz volcanique. Par exemple, le capteur «MultiGas» pompe le gaz et détermine les concentrations de CO2, SO2, H2S et de vapeur d’eau. Le travail consiste ensuite à calculer leurs ratios et à contrôler les fluctuations qui pourraient indiquer une augmentation du magma dans le volcan.
Il existe trois types de capteurs MultiGas au HVO: 1) des stations permanentes sur le Kilauea et le Mauna Loa qui envoient des données au HVO en temps réel: 2) un MultiGas portable, de la taille d’une grande mallette qui permet de contrôler la chimie des gaz dans de nombreux endroits; 3) un MultiGas miniaturisé monté sur un drone pour mesurer le gaz dans des sites dangereux ou inaccessibles.
Il y a d’autres gaz présents en faibles quantités dans les panaches volcaniques. Eux aussi peuvent fournir des informations préciueses sur le comportement d’un volcan. Pour mesurer ces gaz mineurs tels que le chlore, le fluor et l’hélium, les géochimistes utilisent des méthodes à distance et sur le terrain.
De nombreux gaz volcaniques absorbent le rayonnement infrarouge ; en conséquence, pendant les éruptions, le HVO peut utiliser la télédétection de l’énergie infrarouge émise par la lave. Un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) détecte différentes longueurs d’onde infrarouge et mesure leur absorption par de nombreux gaz simultanément. Cela fournit de nombreux ratios de gaz qui aident à comprendre les processus de dégazage lors des éruptions.
Une autre façon de mesurer plusieurs gaz volcaniques à la fois est de les collecter dans une bouteille de l’envoyer au laboratoire pour analyse. Pour cela, les scientifiques utilisent une bouteille spéciale [NDLR : avec le vide à l’intérieur] équipée s »un tube que l’on introduit dans une fumerolle. Ce type d’échantillonnage est actuellement effectué une fois tous les trois mois au niveau des Sulphur Banks dans le Parc National des Volcans d’Hawaï pour contrôler sur le long terme l’évolution de la chimie du gaz.
Ce travail suppose l’utilisation d’un grand nombre d’instruments. C’est pour ce la que l’équipe de géochimistes travaille en étroite collaboration avec les techniciens du HVO et les informaticiens pour s’assurer que tout  cetéquipement fonctionne correctement.
Source: USGS / HVO.

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After the geodesists, the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) esplians the part played by geochemists in analysing the behaviour of Kilauea Volcano.

Volcanic gases give clues about volcanic processes, even when no lava is erupting. Ratios of escaped gases like carbon dioxide (CO2) and sulphur dioxide (SO2) can tell scientists about magma depth. The total amount of SO2 released also reflects the amount of magma or lava that is degassing.

HVO geochemists use a variety of methods to track gas emissions from Mauna Loa and Kilauea, including direct measurements and remote techniques. One of the most frequent measurements is the SO2 emission rate, in order to know how many tonnes are emitted per day. For this, geochemists drive or walk under the gas plume with an ultraviolet spectrometer. SO2 absorbs ultraviolet light, so when more SO2 is present overhead, less ultraviolet light reaches the spectrometer. These measurements are currently made once every 2-4 weeks, whereas during the 2018 eruption, they were made at least every other day. When Kīlauea’s summit lava lake was present, HVO had a network of spectrometers that calculated the SO2 emission rate every few seconds.

Another measurement geochemists rely on is the ratio of CO2 to SO2. The relative amounts of those gases give information about the depth of magma. CO2 does not absorb ultraviolet light like SO2, so scientists measure CO2 directly. To do this, they use sensors placed right in the volcanic gas. For instance, an instrument called “MultiGas” pumps in gas and determines concentrations of CO2, SO2, H2S and water vapour. The job is then to calculate their ratios and track changes that might indicate magma rising within the volcano.

There are three types of MultiGas at HVO: 1) permanent stations on Kilauea and Mauna Loa that send data to HVO in real-time: 2) a portable MultiGas, which is the size of a large briefcase and allows to check gas chemistry in many places; 3) a miniaturized MultiGas mounted on a drone to measure gas in hazardous or inaccessible sites.

There are additional gases in volcanic plumes that are not present in large amounts but still provide information about volcanic behaviour. To measure those minor gases, including chlorine, fluorine, and helium, geochemists use remote and direct methods.

Many volcanic gases absorb infrared radiation, so during eruptions HVO can use remote sensing of infrared energy emitted by lava. A Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer detects different wavelengths of infrared and measures absorption by numerous gases simultaneously. This provides many gas ratios that help to understand degassing processes during eruptions.

Another way to measure multiple volcanic gases at once is to collect a bottle of gas and send it to the lab for chemical analysis. For this, scientists use a special glass bottle with tubing inserted into a fumarole. This kind of sampling is currently done once every three months at Sulphur Banks in Hawaii Volcanoes National Park to track long-term changes in gas chemistry.

That’s a lot of instrumentation, so the gas geochemistry team works closely with HVO technicians and IT specialists to make sure that all the equipment functions properly.

Source: USGS / HVO.

Panache de gaz au-dessus du lac de lave du Kilauea

Sulphur Banks, dans le Parc des Volcans d’Hawaii

(Photos: C. GRandpey)

 

Mesure de l’épaisseur des coulées de lave // How to measure the thickness of lava flows

Au cours des premières années de l’éruption du Kilauea au niveau du Pu’uO’o, les scientifiques de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) ont mesuré l’épaisseur des coulées de lave en effectuant des relevés manuels en bordure de chaque coulée. Le volume de la coulée était ensuite calculé en multipliant sa surface par son épaisseur moyenne. Le débit éruptif était égal à ce volume divisé par la durée de l’éruption en secondes. Pendant la première année d’activité du Pu’uO’o en 1983, le débit éruptif a été estimé entre 15 et 65 mètres cubes par seconde. Cependant, cette méthode ne tenait pas compte de toutes les variations d’épaisseur des coulées à travers le champs de lave. Par exemple, de nombreuses coulées a’a, comme la coulée de lave émise par la Fracture n° 8 en 2018, abritent un chenal ou une cavité vide. En conséquence, si l’on suppose que la coulée présente une épaisseur constante, on surestime le volume de la lave ainsi que le débit éruptif.
En 1993, les scientifiques ont utilisé un radar aéroporté et survolé Kilauea à un peu moins de 8 km d’altitude. Le radar pouvait élaborer une image des coulées de lave avec une précision de 1 à 2 mètres. Il était également en mesure de fournir des milliers de points de hauteur de la surface de chaque coulée de lave, et pas seulement l’épaisseur en bordure de coulée, comme cela se faisait auparavant. Le volume d’une coulée calculé de cette manière (hauteur de la surface du sol avant la éruption soustraite de la hauteur de la lave de 1993) était légèrement supérieur à celui calculé avec la méthode classique de mesure manuelle en bordure des coulées.

Un progrès dans la mesure de l’épaisseur des coulées est intervenu avec l’arrivée du LIDAR [Light (ou Laser Imaging) Detection And Ranging], appareil qui émet un faisceau laser et en reçoit l’écho (comme le radar), ce qui permet de déterminer la distance d’un objet. Le LIDAR a été embarqué à bord d’avions ou d’hélicoptères et a envoyé des milliards d’impulsions laser en direction du sol. On a ainsi obtenu une foule de données précises (à quelques centimètres près) sur l’épaisseur des coulées de lave.
Au cours des dernières années, les géologues ont obtenu des résultats semblables en hélicoptère, en prenant des photos numériques superposées du sol, avec pour chaque cliché les coordonnées GPS de l’appareil photo. Les logiciels informatiques utilisant la “Surface-from-Motion” (SfM) technique – Surface à partir du Mouvement – peuvent identifier automatiquement les emplacements communs sur des photos adjacentes et réaliser une image 3 D des hauteurs du sol à partir de centaines de photos. Un autre avantage est que les photos peuvent être assemblées pour produire une carte haute résolution, en mosaïque de photos, de la zone observée.
Lors de l’éruption dans l’East Rift Zone du Kilauea en 2018, des appareils photo ont été embarqués sur des drones. A partir de quelque 2 800 photographies aériennes, le logiciel SfM a calculé 1,5 milliard de points communs qui ont été connectés pour créer un modèle altimétrique numérique à l’échelle du centimètre de la coulée de lave dans le district de Puna. Un modèle pré-éruptif obtenu avec le LIDAR a été soustrait du modèle réalisé avec la technique SfM du drone pour produire une carte d’épaisseur des coulées de lave. Une première version de cette carte, publiée sur le site web du HVO le 19 février 2019, est visible ci-dessous. (https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/multimedia_maps.html)

En utilisant cette première ébauche de la carte, on peut obtenir une estimation approximative du volume total de lave émis au cours de l’éruption : environ 0,8 kilomètre cube. En tenant compte des cavités dans la lave et en divisant par la durée de l’éruption, on obtient un débit éruptif minimum d’environ 50 à 200 mètres cubes par seconde. Ce débit éruptif est nettement supérieur à la plupart de ceux enregistrés lors des précédentes éruptions du Kilauea.

Source: USGS / HVO.

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During the first few years of Kilauea Volcano’s eruption at Pu’uO’o, Hawaiian Volcano Observatory (HVO) scientists measured thicknesses using hand levels at multiple locations along the edges of each lava flow. The flow volume was then calculated as the product of the flow area multiplied by the average flow thickness. The eruption rate equalled this volume divided by the duration of the eruption in seconds. For the first year of Pu’uO’o activity in 1983, calculated eruption rates were 15-65 cubic metres per second. However, this method did not rale into account all the variations of lava flow thicknesses across flows. For example, many a’a flows, like Kilauea’s fissure 8 lava flow in 2018, host an empty lava channel. If they assumed that the flow was uniformly as thick as the height of its edges, scientists would overestimate the lava flow volume as well as the eruption rate.

In 1993, scientists used an airborne radar flown over Kilauea at an altitude of just under 8 km. The radar could image a lava flow with accuracies of 1-2 metres and determine thousands of surface elevations for each lava flow, not just a few thicknesses along its edge. Flow volumes calculated this way (pre-eruption elevations of the ground surface subtracted from the 1993 elevations of a lava flow) were slightly higher than those calculated with the simpler method of measuring thicknesses along flow edges.

The next improvement in measuring flow thickness was the development and use of Light Detection and Ranging (LIDAR). Specialized equipment was flown over an area by airplane or helicopter, from which billions of laser pulses showered down to the ground. This produced details on lava flow surface elevations accurate to a few centimetres.

Over the last few years, similar results have been obtained by geologists in helicopters snapping overlapping digital photos of the ground, each tagged with the camera’s GPS coordinates. Computer software, using the “Surface-from-Motion” (SfM) technique, can automatically identify common locations in adjacent photos and assemble a 3-dimensional image of ground elevations from hundreds of photos. A bonus is that the photos can be stitched together to produce a single, high-resolution, photo mosaic map of the area.

During Kilauea’s 2018 lower East Rift Zone eruption, cameras on drones did the photography. Using about 2,800 aerial photographs, the SfM software calculated 1.5 billion common points that were connected to create a centimetre-scale digital elevation model of the Puna lava flow. A pre-eruption LIDAR digital elevation model was subtracted from the drone SfM digital elevation model of the erupted flows to produce a lava flow thickness map. A preliminary version of this map was posted on the HVO website on February 19, 2019 and can be seen here below. (https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/multimedia_maps.html)

Using the preliminary map, one can calculate a rough estimate of the total volume of lava erupted and added to the land surface: about 0.8 cubic kilometres. When corrected for voids in the lava and divided by the duration of the eruption, this yields a minimum eruption rate of about 50-200 cubic metres per second. This eruption rate is significantly larger than most known Kilauea eruption rates.

Source : USGS / HVO.

Source: USGS / HVO

La Fracture n°8 a émis d’énormes quantité de lave dans l’East Rift Zone  en 2018 (Crédit photo : USGS /HVO)