Satellites et prévision sismique // Satellites and seismic prediction

Les séismes font partie des phénomènes naturels les plus destructeurs, mais aussi des difficiles à prévoir. Il faut bien admettre que, pour le moment, nous ne sommes pas en mesure de dire quand ils se produiront. Nous connaissons les régions susceptibles d’être secouées, mais nous ne savons pas quand, ni avec quelle intensité.

Pour essayer d’améliorer cette situation, des chercheurs ont récemment mis au point un système de surveillance qui utilise le système mondial de navigation par satellite – Global Navigation Satellite System (GNSS) – pour mesurer les déformations de la croûte terrestre. Le système peut fournir des indications utiles dans la prévision des séismes et des tsunamis. Le titre de l’étude, publiée dans le bulletin de la Seismological Society of America est « Global Navigational Satellite System Seismic Monitoring, » autrement dit «Surveillance sismique par le système mondial de navigation par satellite».

Les chercheurs expliquent que les systèmes GNSS envoient des signaux à 2000 récepteurs sur Terre. Ces signaux permettent d’identifier la position exacte des récepteurs. Les séismes déforment la croûte sous les récepteurs et modifie donc leur emplacement.

La surveillance sismique par GNSS n’est pas aussi précise que celle effectuée par les réseaux de sismomètres capables de détecter les moindres ondes sismiques. Le système GNSS  ne peut détecter que des déplacements de quelques centimètres ou plus. En revanche, il est également capable de détecter la vitesse d’ondes sismiques de seulement quelques dizaines de nanomètres par seconde.

Pour déterminer avec précision la distribution et la magnitude des mouvements de failles, les sismologues doivent généralement attendre que les données concernant les ondes sismiques atteignent des stations éloignées les unes des autres. Cela prend parfois des dizaines de minutes, le temps que les ondes se propagent sur la Terre.

Le système GNSS prend en compte les données brutes acquises par n’importe quel récepteur connecté à Internet sur la planète, positionne les données et les retransmet dans la seconde vers n’importe quel appareil connecté à Internet. En utilisant les données fournies par 1270 stations de réception à travers le monde, les chercheurs ont constaté qu’il fallait environ une demi seconde (exactement 0,52 s) pour la transmission d’un récepteur au centre de traitement de l’Université Centrale de Washington, indépendamment de la distance de la station.

Le réseau sismique conventionnel prend parfois 15 minutes ou plus pour identifier la magnitude d’un séisme qui provoque un tsunami. De plus, les marégraphes prennent parfois jusqu’à une heure pour fournir des données, en fonction de leur proximité par rapport au séisme. S’agissant des tsunamis, le système GNSS permettra de gagner du temps et offrira une plus grande précision pour alerter les populations.

Source: The Watchers.

Voici une petite vidéo (en anglais) qui explique le principe de fonctionnement du GNSS :

https://youtu.be/gffG5sTegT4

——————————————–

Earthquakes are among the most destructive natural phenomena. They are the most difficult to predict and we have to admit that for the time being we are unable to predict them. We know the areas where they are likely to happen, but we don’t know when and how powerful they will be.

To try and make things better, researchers have recently developed a monitoring system that uses the Global Navigational Satellite System (GNSS) to measure crustal deformation, which can provide seismic monitoring for large earthquakes and tsunamis. The title of the study, published in the Bulletin of the Seismological Society of America is « Global Navigational Satellite System Seismic Monitoring. »

The researchers explain that GNSS systems send signals to 2,000 receivers on Earth. These signals are used to identify the receivers’ exact locations. Earthquakes deform the crust underneath the receivers, changing their locations.

The seismic monitoring by GNSS is not as accurate as seismometer-based networks capable of detecting minute seismic waves. It can only spot displacements of centimetres or larger, but it is also able to detect seismic wave velocities as small as tens of nanometers per second.

To precisely determine fault slip distribution and magnitude, seismologists usually have to wait for the seismic wave data to reach distant stations, which sees tens of minutes of delay while the waves spread across the Earth. The GNSS system takes in raw data acquired by any internet-connected receiver on the planet, positions the data, and retransmits the data back to any internet-connected device within a second. Using data from 1 270 receiver stations across the world, the researchers found that it took the data roughly half a second (0.52 s) to travel from a receiver to the processing centre at Central Washington University, independently of station distance

The conventional seismic network could take 15 minutes or more to identify the magnitude of an earthquake that causes a tsunami. The tidal gauges would take up to an hour to deliver data, depending on their proximity to the quake. The GNSS for the tsunami will be faster ; it will save time and provide greater accuracy to warn the populations.

Source : The Watchers.

Here is a short video showing how GNSS works :

https://youtu.be/gffG5sTegT4

Les lacs de lave du Kilauea, Ambrym et Nyiragongo // Kilauea, Ambrym and Nyiragongo lava lakes

En 2018, la pression du magma a entraîné la hausse de niveau du lac de lave au sommet du Kilauea (Hawaii). Cette forte pression magmatique a débouché sur une très spectaculaire éruption qui a provoqué la vidange rapide du lac de lave et l’effondrement du cratère sommital du Kilauea

La même séquence d’événements s’est également produite en 2018 à Ambrym, un volcan très actif au Vanuatu. On note beaucoup de points communs avec l’éruption du Kilauea. Avant 2018, la caldeira sommitale d’Ambrym hébergeait cinq lacs de lave. Dans les semaines précédant l’éruption, la lave dans au moins l’un des lacs a montré une hausse significative, comme cela a été observé avant l’éruption du Kilauea en 2018.

Source : GeoHazards

Une hausse de la sismicité a été enregistrée au sommet le 14 décembre à Ambrym et très vite le magma est entré dans la zone de rift sud-est, provoquant une fracturation importante du sol. En deux jours, les cinq lacs se sont vidangés et les cratères se sont effondrés, tandis que des panaches de cendres s’élevaient du sommet.

Le 17 décembre, la migration du magma s’est arrêtée à Ambrym. Peu de temps après, les habitants ont observé de la pierre ponce en train de dériver sur le rivage, preuve qu’une éruption sous-marine s’était produite plus loin dans la zone de rift. Au sommet, un lac d’eau a rapidement remplacé l’un des lacs de lave dans le cratère effondré.

La fracturation du sol à Ambrym a causé des dégâts aux bâtiments en 2018, mais l’éruption aurait pu être plus dévastatrice si elle s’était produite sur terre.

En 1913, un schéma d’activité identique s’est produit à Ambrym, avec une éruption sur terre qui a détruit un hôpital. Une étude sur l’éruption d’Ambrym en 2018 souligne que l’élévation du niveau du lac de lave avant l’éruption était probablement due à une accumulation de pression dans la chambre magmatique sommitale. Les auteurs de l’étude notent que ce processus a été décrit en détail pour le Kilauea qui dispose d’un réseau de surveillance plus performant.

En conclusion, on peut dire que les lacs de lave sommitaux sont de bons indicateurs de la pression qui règne dans la chambre magmatique sous-jacente, et jouent le rôle de baromètres à liquide.

L’analyse de la lave a montré que le dyke magmatique d’Ambrym avait, sur son parcours le long de la zone de rift, rencontré une poche périphérique de magma plus ancien. Ce mélange de magmas a également eu lieu lors de l’éruption dans la Lower East Rift Zone du Kilauea en 2018, avec des conséquences sur les débits éruptifs et les risques associés.

Les observations des éruptions d’Ambrym et du Kilauea indiquent que l’élévation rapide du niveau des lacs de lave sommitaux pourrait être un bon indicateur des prochaines éruptions latérales de ces volcans.

Ce processus éruptif a des implications pour les risques associés au Nyiragongo, en République Démocratique du Congo. Le volcan héberge un grand lac de lave actif depuis des décennies. L’élévation du niveau de ce lac de lave a précédé de grandes éruptions latérales en 1977 et 2002. L’éruption de 1977 du Nyiragongoa produit des coulées de lave particulièrement rapides qui ont tué des dizaines de personnes. Les coulées de lave de l’éruption de 2002 ont envahi une grande partie de la ville de Goma, laissant 120 000 personnes sans abri et en déplaçant de nombreuses autres. Actuellement, le lac de lave du Nyiragongo a un niveau élevé, semblable à celui d’avant les éruptions de 1977 et 2002. Une étude récente, menée par une équipe internationale de scientifiques, a conclu que la situation actuelle sur le Nyiragongo pourrait déboucher sur une nouvelle éruption latérale dans plusieurs années.

Source : Wikipedia

S’agissant du Kilauea, il convient de noter que le lac de lave actuel qui a commencé à se former en décembre 2020 dans le cratère de l’Halema’uma’u est très différent de celui que l’on pouvait observer avant 2018. Le lac actuel est formé par accumulation de la lave qui coule passivement au fond du cratère. Il ne se trouve pas directement au-dessus du conduit en provenance de la chambre magma. Cela signifie que les changements de son niveau ne peuvent pas être utilisés comme indicateurs de la pression magmatique.

Lac de lave avant l’éruption du Kilauea en 2018 (Source : HVO)

‘Lac’de lave actuel sur le Kilauea (Source: HVO

Au fil des ans, les pentes du Kilauea, d’Ambrym et du Nyiragongo ont été dévastées par des éruptions alimentées par un magma s’écoulant depuis leurs sommets. Les scientifiques espèrent aboutir à une meilleure compréhension de ces éruptions latérales et de leurs signes avant-coureurs. Ils pourront ainsi utiliser ces connaissances pour réduire les risques et améliorer la prévision éruptive.

Source: USGS / HVO.

Pour ceux qui possèdent l’ouvrage, des descriptions des éruptions tragiques d’Ambrym et du Nyiragongo se trouvent dans mon livre Killer Volcanoes, aujourd’hui épuisé.

—————————————-

In 2018, rising summit lava lake levels, caused by building magmatic pressure, culminated in a large eruption of Kilauea (Hawaii) which abruptly drained the summit lava lake and initiated crater collapse.

The same sequence of events also occurred in 2018 on Ambrym, a highly active volcano in Vanuatu, with that paralleled those on Kilauea. Prior to 2018, the summit caldera on Ambrym hosted five lava lakes. In the weeks prior to the eruption, at least one of the lava lakes showed a significant rise, similar to what happened before Kilauea’s 2018 eruption.

Earthquakes began at the summit on December 14th, and soon magma intruded along Ambrym’s southeast rift zone, creating extensive ground cracking. Within two days, all five lakes had drained and the craters collapsed inwards, as ash plumes rose from the summit.

On December 17th, the magma migration stopped. Soon after, residents observed pumice drifting onshore, signaling that a submarine eruption had occurred far down the rift zone. At the summit, a water lake soon replaced one of the lava lakes in the collapsed crater.

Although ground cracking at Ambrym produced damage to buildings in 2018, the eruption could have been more hazardous if it had happened onshore. In 1913, a similar pattern of activity occurred at Ambrym, producing an onshore eruption that destroyed a hospital.

A study on the 2018 Ambrym eruption highlights that the rising lake level prior to the eruption was a likely sign of building pressure in the summit magma chamber. The authors note that this pattern has been documented in detail at Kilauea, which has a more extensive monitoring network.

In essence, summit lava lakes are giant pressure gauges of the underlying magma chamber, akin to a liquid barometer. Analysis of the lava chemistry showed that the magmatic dike at Ambrym had intersected a peripheral, isolated pocket of older magma on its route along the rift zone. This mixing of new and old magma also occurred during the 2018 lower East Rift Zone eruption of Kīlauea, with implications for eruption rates and hazards.

The Ambrym and Kīlauea observations suggest that rapidly rising summit lava lakes may be a common harbinger of upcoming flank eruptions.

This process has implications for hazards at Nyiragongo, in the Democratic Republic of the Congo, which hosts a large summit lava lake that has been intermittently active for decades.

Rising lake levels preceded large flank eruptions in 1977 and 2002 at Nyiragongo. The 1977 eruption produced unusually fast lava flows, killing scores of people. Lava flows from the 2002 eruption covered a large portion of the city of Goma, leaving 120,000 people homeless and displacing many more. Currently, the Nyiragongo lake has risen to a high level, roughly similar to that before the 1977 and 2002 eruptions. A recent study, by a different international team of scientists, has forecast that this could lead to a new flank eruption in several years.

It’s worth noting that the current lava lake at Kilauea, which started forming in December 2020, is fundamentally different from the lake that was present before 2018. The current lake is lava that is passively ponding at the bottom of the Halema’uma’u crater and is not situated directly over the conduit that rises from the magma chamber. This means its lava level changes can’t be used as a pressure gauge in the same manner.

Over the years, communities on Kilauea, Ambrym, and Nyiragongo have been devastated by eruptions fed by magma draining from their summits. Scientists hope to develop a better understanding of these flank eruptions and their precursors and use that knowledge to reduce risk and improve forecasts in the future.

Source: USGS / HVO.

Eruption islandaise: des changements d’activité, mais toute prévision reste impossible ! // Icelandic eruption: changes in activity but no volcanic prediction !

Le Met Office islandais indique que l’éruption de Fagradalsfjall se poursuit au niveau de l’un des principaux cratères. Le cratère actif en ce moment est le cinquième à s’être ouvert sur la fracture le 13 avril 2021. Depuis le 27 avril, l’activité volcanique a été marquée par des fontaines de lave ininterrompues. Toutefois, cette activité s’est modifiée vers minuit le 2 mai ; depuis ce moment, l’éruption procède par impulsions. On observe des périodes d’intense activité d’une durée de 8 à 12 minutes et alternant avec des périodes de calme de 1 à 2 minutes. Les périodes intenses commencent par une forte activité, avec des fontaines de lave atteignant le plus souvent 100-150 m de hauteur, mais parfois 200 ou 300 mètres (voir la vidéo ci-dessous). Ces séquences d’activité intense sont parfaitement visibles sur le tremor dans les stations sismiques réparties autour du site éruptif. Hier soir, le cratère principal avait un comportement qui me rappelait celui d’un geyser, avec de brèves phases actives alternant avec des périodes de repos.

https://youtu.be/JX-H_sRMSUY

Les volcanologues islandais disent qu’il est difficile de déterminer la cause de ces changements intervenus dans l’activité volcanique. Il se pourrait qu’ils soient dus à des modifications dans le flux du magma, sa composition chimique ou celle des gaz, ou éventuellement des changements dans le conduit d’alimentation.

Páll Einarsson pense que les raisons peuvent être multiples et qu’il est trop tôt pour dire exactement ce qui explique ces changements. Il fait remarquer que vers la fin des dernières éruptions de l’Hekla, une activité similaire a été observée, même si les pauses et les séquences éruptives ont duré plus longtemps. Cependant, ces éruptions étaient différentes de l’événement actuel à Fagradalsfjall et elles mettaient en œuvre un type de magma différent. Il est donc difficile de faire une comparaison.

Un autre géophysicien pense que ce changement pourrait indiquer une baisse de l’activité volcanique. Il ajoute que l’éruption pourrait aussi réapparaître sur un autre site.

Un professeur de volcanologie à l’Université d’Islande a remarqué qu’à l’heure actuelle, l’éruption semble être beaucoup plus explosive qu’auparavant. Il explique que des explosions de lave comme celles observées ces dernières heures coïncident généralement avec une diminution de l’activité volcanique, mais il n’a pas précisé si l’éruption était en déclin ou en hausse.

En d’autres termes, personne ne sait ce qui va se passer maintenant… . !

 Compte tenu de ces changements d’activité, la taille de la zone de sécurité sur le site éruptif est en cours de réévaluation. Elle devrait désormais avoir un rayon de 500 mètres autour de l’éruption.

——————————————-

The Icelandic Met Office indicates that the eruption in Fagradalsfjall continues through one main crater. The active crater is the fifth fissure opening that opened in the area on April 13th, 2021. Since April 27th, the volcanic activity was characterized by continuous lava fountains, but activity changed at around midnight on May 2nd, and has since  been showing pulsating behaviour. These pulses have intermittent active periods of 8-12 minutes, with 1-2 minutes of rest periods in between. The active pulses start with a strong fountain activity, with fountains reaching up to 100-150 m above ground level, and some even higher (see video below). These pulses are very apparent in the seismic tremor at seismic stations in a wide area around the eruption site. Last night, the main crater had a behaviour that looked like a geyser, with brief active phases, alternating with quiet periods.

https://youtu.be/JX-H_sRMSUY

Local volcanologists say it is not clear what is causing these changes in volcanic activity, but changes in magma flow, the chemical composition of magma/gas, or possibly changes in the volcanic conduit cannot be ruled out.

Páll Einarsson  states that the reasons for this can be many, and that it’s too early to tell what exactly is causing this transformation. He states that toward the end of the most recent eruptions at Hekla, a similar activity was seen, although the pauses and the bursts of eruption there lasted longer. However, those eruptions were different from the one by Fagradalsfjall mountain and involved a different kind of magma, making it hard to draw any conclusions.

Another geophysicist thinks that this change in the activity could indicate a reduced volcanic activity, but he adds that the eruption may possibly be looking for another place to reach the surface.

A professor of volcanology at the University of Iceland has noticed that at the moment the eruption seems to be much more explosive than before. He explains that explosive high lava jets such as this usually coincide with a decrease in volcanic activity, but did not state whether as a whole, the eruption is declining or increasing.

In other words, nobody knows…..

Considering these changes in activity, the size of the hazard area at the eruption site is being re-evaluated. It should be extended to a 500 metre radius from the eruption, due to a change in the volcanic activity.

Viscosité du magma et prévision éruptive // Magma viscosity and eruptive prediction

Suite à l’éruption du Kilauea (Hawaii) en 2018, une nouvelle étude explique que la mesure précoce de la viscosité du magma pourrait aider à prévoir certaines éruptions volcaniques

L’éruption du Kilauea de 2018 a fourni aux scientifiques une occasion unique d’identifier de nouveaux facteurs permettant de prévoir le comportement du magma et les risques des futures éruptions ainsi que les dangers associés.

Une équipe de chercheurs de l’Université d’Hawaï a identifié un indicateur de viscosité du magma susceptible d’être mesuré avant une éruption. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature.

Les auteurs de l’étude expliquent que les propriétés du magma à l’intérieur d’un volcan affectent le déroulement d’une éruption. En particulier, sa viscosité est un facteur majeur qui influence le degré de dangerosité d’une éruption pour les localités à proximité. Il est bien connu que les magmas très visqueux déclenchent des explosions plus puissantes car les gaz peuvent difficilement s’échapper, ce qui entraîne une accumulation de la pression à l’intérieur du système d’alimentation du volcan. De plus, l’extrusion d’un magma plus visqueux donne naissance à des coulées de lave plus lentes. A Hawaï, le magma sort à des températures très élevées, ce qui explique sa grande fluidité et que les coulées de lave parcourent parfois de très longues distances.

Les chercheurs ont remarqué que la viscosité du magma n’est généralement évaluée qu’après une éruption, pas avant. C’est pourquoi ils ont essayé d’identifier les premiers indices de viscosité du magma. L’événement de 2018 a débuté avec une première phase d’activité dans la Lower East Rift Zone du Kilauea. La première des 24 fractures éruptives s’est ouverte début mai et l’éruption s’est poursuivie pendant trois mois. Cette situation a permis aux scientifiques d’obtenir une foule d’informations. En particulier, ils ont obtenu de nombreuses données sur le comportement du magma à haute et basse viscosité, ainsi que sur les contraintes pré-éruptives qui se sont exercées dans le substrat rocheux sous le Kilauea.

On sait que l’activité tectonique et volcanique provoque la formation de failles dans la roche qui constitue la croûte terrestre. Lorsque les contraintes géologiques agissent sur ces failles, les géologues peuvent mesurer leur orientation 3D et leur mouvement en analysant la sismicité. En étudiant ce qui s’est passé dans Lower East Rift Zone du Kilauea en 2018, ils ont pu déterminer que la direction des mouvements des failles dans cette zone avant et pendant l’éruption pouvait être utilisée pour estimer la viscosité du magma pendant les périodes précédant l’activité volcanique. Les chercheurs ont ainsi pu montrer qu’avec une surveillance digne de ce nom, ils peuvent établir une relation entre la pression et les contraintes dans le système d’alimentation d’un volcan et le mouvement en profondeur d’un magma plus visqueux. Ils pensent que de telles analyses permettront de mieux anticiper le comportement éruptif de volcans comme le Kilauea et de prendre des mesures adaptées à la situation.

Source: West Hawaii Today.

[Remarque personnelle: S’agissant du Kilauea, le processus éruptif est assez bien connu et ne réserve guère de surprises. Comme le volcan se trouve sur un point chaud et est alimenté par du magma à très haute température en provenance du manteau terrestre, la lave est en général très fluide avec des coulées de lave qui parcourent de longues distances et peuvent être destructrices, comme on l’a vu lors de l’éruption de 2018. Sur d’autres volcans du monde qui ont des magmas plus différenciés, une telle étude pourrait présenter un intérêt certain pour anticiper le comportement éruptif.

Vous pourrez également lire le résumé de l’étude que j’ai effectuée sur le processus de refroidissement de la lave sur le Kilauea:

https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/processus-de-refroidissement-de-la-lave-sur-le-kilauea-hawaii/]

——————————————

In the wake of Kilauea’s 2018 eruption in Hawaii, a new study explains that measuring magma viscosity early could forecast volcanic eruptions The 2018 Kilauea eruption provided scientists with a unique opportunity to identify new factors to help forecast the behaviour and associated hazards of future eruptions.

A team of researchers from the University of Hawaii identified an indicator of magma viscosity that can be measured before an eruption. Their findings were published in the journal Nature.

The authors of the study explain that the properties of the magma inside a volcano affect how an eruption will play out. In particular, its viscosity is a major factor in influencing how hazardous an eruption could be for nearby communities. It is well known that very viscous magmas are linked with more powerful explosions because they can block gas from escaping through vents, allowing pressure to build up inside the volcano’s plumbing system. Moreover, the extrusion of more viscous magma results in slower-moving lava flows. In Hawaii, magma comes out at very high temperatures, which accounts for its high fluidity and for lava flows travelling sometimes very long distances.

The researchers have noticed that magma viscosity is usually only quantified well after an eruption, not in advance. So, they have tried to identify early indications of magma viscosity that could help forecast a volcano’s eruption style.

The 2018 event included the first eruptive activity in Kilauea’s Lower East Rift Zone since 1960. The first of 24 fissures opened in early May, and the eruption continued for three months. This situation provided the scientists with unprecedented access to information. In particular, the event provided a wealth of simultaneous data about the behaviour of both high- and low-viscosity magma, as well as about the pre-eruption stresses in the solid rock underlying Kilauea.

It is known that tectonic and volcanic activity cause faults to form in the rock that makes up Earth’s crust. When geologic stresses cause these faults to move against each other, geoscientists measure the 3D orientation and movement of the faults using seismic instruments. By studying what happened in Kilauea’s Lower East Rift Zone in 2018, they determined that the direction of the fault movements in the lower East Rift Zone before and during the volcanic eruption could be used to estimate the viscosity of rising magma during periods of precursory unrest. The researchers were able to show that with robust monitoring that they can relate pressure and stress in a volcano’s plumbing system to the underground movement of more viscous magma. They think this will enable monitoring experts to better anticipate the eruption behaviour of volcanoes like Kilauea and to tailor response strategies in advance.

Source: West Hawaii Today.

[Personal note: As far as Kilauea is concerned, the eruptive process is fairly well known. As the volcano lies on a hotspot with magma coming at very high temperature from the Earth’s mantle, the lava is very fluid with long distance lava flows that can de destructive, as could be seen during the 2018 eruption. On other volcanoes in the world which have more differentiated magmas, a similar study could prove useful to predict the behaviour of the eruptions.

You can also read  the abstract of the study I made about the lava cooling process on Kilauea volcano: https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/processus-de-refroidissement-de-la-lave-sur-le-kilauea-hawaii/]

Eruption 2018 du Kilauea (Fissure 8) [Crédit photo : HVO]

Photo : C. Grandpey