Étiquette : muons

Campagne d’imagerie au sommet du Kilauea (Hawaii) // Imagery campaign at the summit of Kilauea (Hawaii)

Comme je l’explique dans mes conférences, prévoir le comportement d’un volcan est beaucoup plus difficile que prévoir celui d’un glacier car tout se passe en profondeur. Jusqu’à présent, personne n’a pu prévoir avec précision le moment où la lave percerait la surface. Même sur le Kilauea (Hawaii) ou sur le Piton de la Fournaise (La Réunion), truffés d’instruments, les scientifiques ont été plusieurs fois déroutés par les mouvements du magma sous la surface.
À Hawaii, cela fait des décennies que les scientifiques émettent des hypothèses sur la forme et la taille de la chambre magmatique sous le sommet du Kilauea. Ils disposent aujourd’hui de moyens sans précédent pour en obtenir une image beaucoup plus détaillée qu’auparavant. Le Kilauea Seismic Imaging Project – projet collaboratif d’imagerie sismique du Kilauea – est sur le point de démarrer et de permettre de mieux connaître les structures qui se cachent sous la région sommitale du Kīiauea. Le projet est financé par la National Science Foundation et les crédits obtenus dans le cadre du Disaster Relief Act de 2019.
Le projet ressemble un peu au scanner utilisé dans les hôpitaux, quand un corps humain pénètre dans un tube où des rayons X traversent le corps sous différents angles. À partir des rayons X, on obtient des images en coupe transversale du corps. Leur ensemble est utilisé pour créer un modèle tridimensionnel.
Au cours du projet d’imagerie du sommet du Kilauea, les ondes sismiques envoyées à travers le sol seront utilisées pour générer des images du sous-sol. Une fois rassemblées, ces images créeront, comme le scanner hospitalier, un modèle tridimensionnel de la chambre magmatique sous le sommet du Kilauea.
Le HVO dispose d’un réseau de surveillance incluant plusieurs sismomètres au sommet du Kilauea, mais d’autres sismomètres sont nécessaires pour collecter des données avec une résolution plus élevée dans le cadre du projet. 1 800 petits dispositifs supplémentaires, les nodes d’acquisition sismique, seront temporairement placés à la surface de la région sommitale du Kilauea au cours des deux prochains mois.
Une fois les nodes d’acquisition déployés, un gros véhicule parcourra lentement au mois de mai les routes à proximité du sommet du Kilauea Le véhicule, appelé Vibroseis, génèrera de minuscules signaux sismiques. Les nodes capteront les signaux ainsi créés. Le temps mis par les signaux pour atteindre les nodes et leur comportement sont des paramètres importants car les ondes sismiques se déplacent différemment selon que les matériaux qu’elles traversent sont solides ou semi-solides, ou du magma en fusion.
La foule de données ainsi collectées sera analysée pour indiquer à quel endroit la base du Kilauea entre en contact avec le plancher océanique sous-jacent, quel est l’emplacement des failles majeures, là où les corps magmatiques sont stockés sous la surface du Kilauea, et comment ces corps se connectent aux zones de rift.
Les données produiront également un nouveau modèle de vitesse de déplacement des ondes sismiques pour la région sommitale du Kilauea. Il permettra des analyses plus précises des séismes et de leurs épicentres.
Selon le HVO, les résultats de ce projet seront inestimables pour évaluer l’activité volcanique à venir du Kilauea.
Source : USGS/HVO.

Le Vibroseis se déplacera dans la zone sommitale du Kilauea tout au long du mois de mai 2023. La plaque vibrante de couleur orange est recouverte de contreplaqué et d’un tapis en caoutchouc pour protéger le revêtement de la route. Les vibrations seront maintenues à un seuil minimal, mais qui peut encore être enregistré par les nodes d’acquisition sismiques. (Crédit photo : USGS)

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Une autre technologie est utilisée aujourd’hui sur d’autres volcans. Appelée muographie, elle utilise des particules cosmiques pour montrer l’intérieur d’un édifice volcanique, en particulier la chambre magmatique peu profonde. La technologie ne peut pas être mise en place sur tous les volcans de la planète. D’abord testée sur les pyramides, elle suppose un volcan de forme conique comme le Mt Fuji (Japon) ou le Mt Mayon (Philippines). La muographie a été testée sur La Soufrière de la Guadeloupe et sur le Stromboli en Sicile. Les résultats ont permis de voir l’intérieur du sommet de ces volcans, mais ils ne peuvent pas être utilisés pour analyser les mouvements du magma, et donc pour prévoir les éruptions. J’ai écrit sur ce blog plusieurs articles décrivant cette nouvelle approche de la volcanologie (le 9 mai 2016, par exemple).

Image muonique de l’intérieur de La Soufrière de la Guadeloupe (Source: CNRS)

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As I explain in my conferences, predicting the behaviour of a volcano is far more difficult than predicting the behaviour of a glacier because everything is happening deep underground. Up to now, nobody has been able to predict the moment when lave would pierce the surface. Even on Kilauea (Hawaii) or Piton de la Fournaise (Reunion Island), scientists have several times been puzzled by magma movements.

In Hawaii, scientists have hypothesized the shape and size of Kīlauea’s summit magma storage system for the last century, and now have an unparalleled opportunity to develop a far more detailed picture than was possible before. The collaborative Kilauea Seismic Imaging Project is about to start with a goal to help reveal subsurface structures beneath Kīlauea’s summit region. The research project is funded by the National Science Foundation and the U.S. Geological Survey’s appropriations from the Disaster Relief Act of 2019.

The project will operate almost like a human CT scan, during which a body enters a tube so that X-rays can travel through the body at different angles. From the X-rays, cross-sectional images are created of the features within the body, which are used collectively to make a three-dimensional model of the body.

During the Kilauea summit imaging project, seismic waves moving through the ground will be used to generate images of the subsurface that together will create a three-dimensional model of Kilauea’s summit magma storage geometry.

Hawaiian Volcano Observatory has a permanent monitoring network of several seismometers at the summit of Kilauea that detect natural earthquakes, but more seismometers are needed to collect data at a higher resolution for this project. An additional 1,800 small earthquake-detecting devices, called seismic nodes, will be temporarily placed on the surface of Kilauea’s summit region in the next two months.

After the seismic nodes are deployed, a large vehicle will slowly traverse roads near Kilauea’s summit in May. The vehicle, called a Vibroseis, will create tiny seismic signals. The nodes will capture the signals generated by the Vibroseis. The time that it takes the signals to reach the nodes and the way they change before reaching the nodes are important because seismic waves behave differently if the material they are traveling through is solid or semi-solid material, or molten magma.

The vast amounts of data collected will be analyzed to outline where the base of Kilauea contacts the underlying ocean floor, the location of major faults, where bodies of magma are stored beneath the surface of Kīlauea, and how those bodies connect to the rift zones.

The data also will produce a new velocity model for Kilauea’s summit region. It will allow for more accurate analyses of earthquakes and their locations in the future.

According to HVO, results from this research project will be invaluable for assessing the future volcanic activity at Kilauea.

Source : USGS / HVO.

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Another technology is used today on other volcanoes. Called muography, it uses cosmic particles to show the inside of a volcanic edifice, in particular the shallow magma chamber. The technology cannot be set up on all volcanoes. First tested on the pyramids, it requires a volcano with a conical shape like Mt Fuji (Japan) or Mt Mayon (Philippines). Muography has been tested on La Soufrière (Guadeloupe) and Stromboli (Sicily). The results allowed to see the interior of the summit of these volcanoes , but they cannot be used to analyse magma movements, and so to predict eruptions. I have written several posts describing this mew approach of volcanology (May 9th, 2016, for instance).

La muographie permettra-t-elle un jour de prévoir les éruptions ? // Will muography some day help predict eruptions ?

J’ai expliqué dans des notes précédentes (21 novembre 2015, 11 juillet 2016) que les muons pourraient nous aider à comprendre la structure interne de certains volcans. Un nouvel article publié dans la presse américaine va plus loin et affirme que ces particules cosmiques pourraient être utilisés pour prévoir les éruptions.
Les muons sont partout et nous frappent à chaque seconde. Ces particules, qui se forment lorsque les rayons cosmiques pénètrent dans l’atmosphère terrestre, sont inoffensives et se désintègrent rapidement en formant des amas de particules encore plus fines.
Les muons pénètrent dans les objets comme le font les rayons X,. C’est ainsi qu’ils ont permis aux scientifiques de découvrir une chambre funéraire à l’intérieur de la Grande Pyramide d’Égypte il y a plusieurs années.
Les scientifiques utilisent également des muons pour cartographier la structure interne des volcans, ce qui pourrait un jour aider à prévoir des éruptions. C’est ce que l’on peut lire dans un article publié la semaine dernière dans les Proceedings of the Royal Society.
Pour créer ces cartes, les scientifiques mesurent la faculté des muons à traverser le magma qui circule dans les cavités, les chambres et entre les passages rocheux à l’intérieur des volcans. Ils utilisent ensuite ces informations pour créer des aperçus géologiques. Selon l’un des auteurs de l’article, la muographie, pourrait un jour permettre de suivre les mouvements du magma qui précèdent une éruption
Les muons ont une charge négative, mais sont 207 fois plus lourds que les électrons. Ils se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Cette lourdeur et cette vitesse permettent aux particules de pénétrer dans des matériaux denses comme la roche volcanique. Plus l’objet est dense, plus les muons perdent de la vitesse et se désintègrent. De nombreux muons peuvent heurter le flanc d’un volcan et le traverser. Toutefois, si la structure de la montagne est suffisamment dense, par exemple parce qu’un passage est rempli de magma, un muon ne pourra pas sortir de l’autre côté du volcan.
Pour repérer quels muons ont réussi à traverser l’édifice volcanique, les scientifiques installent des détecteurs sur les flancs d’un volcan. Ces détecteurs créent une image de l’intérieur du volcan en capturant les muons qui ne se sont pas désintégrés lors de leur passage à travers l’édifice, et en notant les zones où les muons ne sont pas ressortis. Certains chercheurs réalisent cette cartographie depuis les airs en positionnant les détecteurs de muons à l’intérieur d’hélicoptères et en volant à proximité des flancs du volcan.
Les muons qui traversent complètement l’édifice volcanique projettent des zones sombres sur le détecteur de muons. Mais lorsque les muons frappent des parties denses et se désintègrent, ils laissent des zones plus claires. Autrement dit, plus l’objet est dense, plus zone imprimée est claire. Plus on dispose de détecteurs de muons autour d’un volcan, meilleure est l’image. En utilisant plusieurs détecteurs positionnés autour d’un objet, il est possible de créer une image 3D.
Les chercheurs ont utilisé la muographie pour scruter l’intérieur des volcans japonais Sakurajima et Asama, ainsi que trois volcans en Italie, dont le Vésuve, et La Soufrière de la Guadeloupe.
[NDLR : Le problème est que les détecteurs ne sont pas toujours faciles à mettre en place sur les flancs d’un volcan, comme on a pu le voir avec La Soufrière de la Guadeloupe. De plus, pour être efficaces, les détecteurs doivent être installés sur des volcans coniques, de forme pyramidale comme le mont Unzen au Japon, ou encore le Mayon aux Philippines. Les résultats seraient beaucoup plus aléatoires sur des volcans boucliers comme le Kilauea à Hawaii.]
En plus de la cartographie des entrailles d’un volcan, l’article explique que la muographie pourrait être utilisée pour repérer les réservoirs de magma à l’intérieur des volcans qui sont sur le point d’entrer en éruption et pour suivre le mouvement du magma en temps réel. Les éruptions sont souvent précédées d’une ascension du magma vers le sommet du volcan. L’utilisation de muons pour détecter le déplacement du magma dans la zone sommitale pourrait aider les scientifiques à détecter les éruptions imminentes. Cela permettrait d’évacuer des populations en toute sécurité avant une éruption. Cependant, la muographie est encore loin de ce résultat et le rêve de tout volcanologue n’est pas près de se réaliser…
Source (entre autres) : Business Insider.

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I explained in previous posts (21 November 2015, 11 July 2016) that muons could help us understand the inner structure of some volcanoes. A new article published in the American press goes farther and explains that these cosmic particles could be used to predict eruptions.

Muons are everywhere and strike us every second. These particles, which are created when cosmic rays enter the Earth’s atmosphere, are harmless and quickly decay into clusters of lighter particles.

The particles penetrate objects like X-rays do, which make them useful to scientists, who used muons to uncover a hidden chamber in Egypt’s Great Pyramid several years ago.

Scientists also use muons to map the internal structure of volcanoes, which could one day help predict dangerous eruptions, according to an article published last week in the Proceedings of the Royal Society.

To create those maps, scientists measure how efficiently particles pass through magma flowing through caverns, chambers, and rocky passages in volcanoes, then use that information to create geological blueprints. According to one of the authors of the article, muography, may one day make it possible to track magma movements that may precede an eruption

Muons have a negative charge, but are 207 times heavier than electrons, traveling at nearly the speed of light. That heaviness and speed allows particles to penetrate dense materials like volcanic rock. The denser the object, the more quickly muons lose speed and decay. Many muons can hit the side of a volcano and travel right through. But if the volcano is dense enough, for instance because a passage is filled with magma, a muon won’t make it out the volcano’s other side.

To spot which muons survived the journey, scientists set up muon detectors on the flanks of a volcano. Those detectors create an image of the volcano’s interior by capturing the muons that didn’t decay while passing through the volcano, and noting gaps where muons didn’t survive intact. Some researchers do this mapping from the air by positioning muon detectors inside helicopters and flying near the volcano’s flanks.

Muons that pass through completely cast dark shadows on the muon detector. But when muons hit dense parts of the volcano and decay more quickly, they leave lighter silhouettes. In short, the denser the object, the lighter the silhouette. The more muon detectors surrounding a volcano, the better the image. By using multiple detectors positioned around the object, it’s possible to build up a crude 3D image.

Researchers have used muography to glimpse inside Japan’s Sakurajima and Mount Asama volcanoes, as well as three volcanoes in Italy,including Vesuvius, and La Soufrière volcano in Guadeloupe.

[NDLR: The problem is that the detectors are not always easy to set up on the flanks of a volcano, as could be seen with La Soufrière. Moreover, to be effective, the detectors need to be installed on pyramid-like conical volcanoes like Mount Unzen in Japan. The operations would be much more diffiocult on shield volcanoes like Kilauea in Hawaii.

Beyond helping scientists map volcanic innards, the new article suggests muography could be used to spot magma reservoirs inside volcanoes that are primed to erupt and to track magma movement in real time. Eruptions are often preceded by magma rising toward the volcano’s summit, and using muons to detect magma flow in that summit area may help scientists detect impending eruptions. This would allow people to safely evacuate ahead of an eruption. However, muon technoly is still far from what is a volcanologist’s dream.

Source (among others) : Business Insider.

Image muonique de la Soufrière de la Guadeloupe (Source: CNRS)

Les volcans à Noisy-le-Grand (93160) !

Le samedi 30 novembre 2019 à 14h40, je présenterai à Noisy-le-Grand une conférence intitulée « Muons et Volcans. »

J’ai toujours rêvé de pouvoir disposer d’un tomographe géant pour ausculter l’intérieur d’un édifice volcanique. L’utilisation des particules cosmiques constitue peut-être une ouverture dans ce domaine. Les dernières expériences sont encourageantes.

La conférence aura lieu dans le cadre des animations de la délégation L.A.V.E . Ile-de-France à la Maison des Associations, 111 Piazza Mont d’Est.

Parking gratuit à proximité. Accès par RER A, direction Marne-la-Vallée, sortie à la station « Noisy-Monts d’Est ».

D’autres animations sur l’Islande, l’Erta Ale et l’Ol Doinyo Lengai ponctueront l’après-midi entre 14heures et 18 heures.

Entrée libre.

La technologie muonique pour étudier le Stromboli (Sicile) // Muon technology to study Stromboli (Sicily)

Dans des notes publiées en novembre 2015 et 2017, et en juillet 2016, j’ai attiré l’attention sur l’intérêt que représentait la technologie muonique dans le domaine volcanique. Déjà en 2007, les scientifiques japonais essayaient d’observer l’intérieur des volcans en utilisant cette nouvelle technologie basée sur l’utilisation de particules chargés positivement ou négativement, en provenance des couches supérieures de l’atmosphère

La technique de radiographie muonique est basée sur un principe similaire à celle utilisant les rayons X, mais elle présente l’avantage de pouvoir être utilisée pour étudier des objets beaucoup plus volumineux, tels que les pyramides ou les volcans.
La Protection Civile italienne nous apprend aujourd’hui que la radiographie muonique a été appliquée au Stromboli. C’est le fruit de la collaboration d’un groupe de chercheurs de l’Institut National de Physique Nucléaire (INFN) et de l’Institut National de Géophysique et de Volcanologie (INGV), sans oublier des instituts de recherche japonais. Les résultats de l’étude sur le Stromboli ont été publiés dans la revue Scientific Reports qui couvre toutes les sciences naturelles. Ils révèlent la présence d’une zone de faible densité dans la région sommitale du volcan. Cette zone correspond à une structure d’effondrement formée dans la zone des cratères lors de l’éruption effusive de 2007. Cette zone a ensuite été remplie de matériaux pyroclastiques produits par l’activité explosive strombolienne. Cette structure, qui a influencé le style éruptif du volcan après l’éruption de 2007, a une densité de plus de 30% inférieure à celle du reste du substrat rocheux.
Les muons produits par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère pénètrent dans la roche volcanique et peuvent la traverser de part et d’autre. Cependant, en fonction de la densité et de l’épaisseur de la roche, seule une partie est absorbée. Par le nombre de muons arrivant sur le détecteur, on peut comprendre la densité de la matière qu’ils ont traversée. Des radiographies périodiques du sommet du volcan peuvent être utilisées pour suivre l’évolution de sa structure interne. Le résultat obtenu servira à mieux comprendre les processus éruptifs stromboliens et la dynamique de la Sciara del Fuoco qui a été à plusieurs reprises affectée par des glissements de terrain générateurs de tsunamis.
Le détecteur de muons utilisé pour analyser le Stromboli est basé sur les technologies développées pour l’expérience OPERA ; elles ont étudié les propriétés du faisceau de neutrinos du CERN au Laboratoire national du Gran Sasso de l’INFN. Le premier défi auquel les scientifiques ont été confrontés a été la nécessité de concevoir un détecteur compact à haute résolution angulaire ne nécessitant pas d’alimentation électrique et pouvant être transporté sur les pentes d’un volcan tout en résistant aux éléments. Le détecteur est constitué de 320 films d’émulsions nucléaires, plaques photographiques spéciales qui permettent de « photographier » avec une grande précision le passage des particules qui les traversent. La surface du détecteur est d’environ un mètre carré. Le détecteur a été placé sur le site de Le Roccette, à une altitude de 640 mètres, et a recueilli les traces des muons qui ont traversé le volcan pendant environ 5 mois.

Source : Revue de la Protection Civile Italienne.

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 In several posts published in November 2015 and 2017, and in July 2016, I drew attention to the interest of the muon technology in the volcanic field. Already in 2007, Japanese scientists had tried to observe the interior of volcanoes using this new technology based on the use of positively or negatively charged particles from the upper layers of the atmosphere
The muon radiography technique is based on a principle similar to that using X-rays, but it can also be used to study much larger objects, such as pyramids or volcanoes.
The Italian Civil Protection informs us today that muon radiography has been applied to Stromboli. This is the result of the collaboration of a group of researchers from the National Institute of Nuclear Physics (INFN) and the National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV), not to mention Japanese research institutes. The results of the study on Stromboli were published in the journal Scientific Reports which covers all natural sciences. They reveal the presence of a low density area in the summit area of the volcano. This zone corresponds to a collapse structure formed in the crater zone during the effusive eruption of 2007. This area was then filled with pyroclastic materials produced by strombolian explosive activity. This structure, which influenced the eruptive style of the volcano after the eruption of 2007, has a density more than 30% lower than the rest of the bedrock.
The muons produced by the interaction of cosmic rays with the atmosphere penetrate the volcanic rock and can cross it on both sides. However, depending on the density and thickness of the rock, only a part is absorbed. By the number of muons arriving on the detector, one can understand the density of the material which they crossed. Periodic radiographs of the summit of the volcano can be used to follow the evolution of its internal structure. The result will be used to better understand Strombolian eruptive processes and the dynamics of the Sciara del Fuoco which has been repeatedly affected by tsunami-generating landslides.
The muon detector used to analyze Stromboli is based on the technologies developed for the OPERA experiment; they studied the properties of the CERN neutrino beam at the INFN’s Gran Sasso National Laboratory. The first challenge that scientists had to face was the need to design a compact, high-resolution angular detector that does not require power and can be transported on the slopes of a volcano while resisting the elements. The detector consists of 320 films of nuclear emulsions, special photographic plates that allow to « photograph » with a great precision the passage of the particles which cross them. The surface of the detector is about one square metre. The detector was placed on the site of Le Roccette, at an altitude of 640 metres; it collected traces of muons that crossed the volcano for about 5 months.
Source: Journal of Italian Civil Protection.

Photo: C. Grandpey

Le Stromboli vu par les muons (Source: Protection Civile / INFN)