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Prévision de la trajectoire des coulées de lave // How to predict the path of lava flows

Les volcans effusifs avec leurs longues et spectaculaires coulées de lave ne sont pas les plus dangereux au monde. Ils sont bien moins menaçants que leurs homologues explosifs dont les coulées pyroclastiques peuvent détruire des villages entiers et tuer leurs habitants.
L’éruption actuelle du Piton de la Fournaise à La Réunion est tout à fait inoffensive. La lave coule calmement à l’intérieur de l’Enclos qui est une zone désertique.

Cependant, les coulées de lave peuvent devenir un danger si elles se dirigent vers des zones habitées. Il est peu probable qu’elles tuent des personnes, mais elles peuvent endommager ou même détruire des bâtiments et des maisons d’habitation. C’est la raison pour laquelle la prévision de la trajectoire empruntée par les coulées de lave peut être très importante dans certaines parties du monde. Par exemple, lorsque des coulées de lave dévalent les flancs du Kīlauea ou du Mauna Loa, les habitants d’Hawaii et les services d’urgence veulent savoir à quoi s’attendre.
Lors de l’éruption du Kilauea en 2018, la lave émise par 24 fractures a recouvert plus de 3 200 hectares dans le district de Puna et plus de 700 structures ont été détruites. Ces chiffres soulignent la nécessité de prévoir l’avancée des coulées de lave pour aider la Protection Civile, les habitants et le personnel de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO).
Des prévisions très précises pour d’autres risques naturels tels que les ouragans, les inondations, la sécheresse et même la propagation du vog (brouillard volcanique) du Kilauea sont désormais monnaie courante. La prévision de la trajectoire emprunté par les coulées de lave pourrait également s’avérer très utile.
La réussite des prévisions pour les autres risques naturels repose sur la capacité à simuler des flux d’eau ou d’air. Même si le mouvement de ces fluides est généralement beaucoup plus complexe que celui de la lave, nous avons beaucoup plus d’informations sur le comportement de l’eau et de l’air que sur celui de la lave en tant que matériau. En effet, nous ne pouvons pas voir à l’intérieur d’une coulée de lave pour observer ce qui se passe sous la surface, alors que c’est possible pour l’eau et l’air. [NDLR: De la même façon, au cours de ma conférence sur les glaciers, je fais souvent remarquer que l’étude de leur comportement est plus facile que celui du magma car tout se passe en surface].
Les chercheurs appliquent les principes de la dynamique des fluides aux coulées de lave depuis plus de 40 ans, mais la plupart des simulations sont trop lentes à mettre en place lors d’une crise éruptive, quand on veut vraiment savoir quelle direction la lave va emprunter et à quel moment elle atteindra une zone précise.
Pour essayer de répondre à cette question, les scientifiques du HVO prévoient depuis de nombreuses années la trajectoire globale des coulées de lave en utilisant le principe de la pente la plus raide. Dans de nombreux cas, ces prévisions fonctionnent assez bien; cependant, cette méthode ne peut pas déterminer à elle seule quand la lave atteindra une certaine zone. Elle prévoit la trajectoire de la lave, mais ne prend pas en compte sa vitesse, ni la longueur finale de la coulée.
Pour essayer de répondre à ces questions, les scientifiques de l’USGS ont mis au point un nouveau modèle de prévision des coulées de lave basé sur la simulation de la lave pendant qu’elle s’écoule à travers la topographie réelle, tout en se refroidissant et en se solidifiant. Ce modèle est conçu avec une physique simplifiée mais réaliste; il permet de réaliser en quelques minutes sur un ordinateur portable la simulation de 24 heures de progression de la lave.
Cependant, une seule simulation de ce type ne fournit pas suffisamment d’informations. En l’exécutant plusieurs fois avec une gamme d’entrées de données, on obtient de bien meilleurs résultats. Il s’agit d’une technique couramment mise en oeuvre dans la prévision de conditions météorologiques extrêmes telles que les ouragans et elle fait aujourd’hui partie des techniques de pointe dans la recherche sur les risques volcaniques. Les scientifiques du HVO s’efforcent de produire des ensembles à l’aide de ce nouveau modèle. Leur but est de prévoir avec succès les zones menacées par la lave lors des prochaines éruptions.
Bien que nous ignorons encore beaucoup de choses sur le comportement d’un volcan, nous sommes capables de faire des prévisions à court terme. Ces prévisions, même sur de courtes périodes, donnent aux personnes susceptibles de se trouver sur la trajectoire des coulées de lave la possibilité de se préparer à d’éventuelles évacuations.
Source : USGS, HVO.

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Effusive volcanoes with their long and spectacular lava flows are not known as the most dangerous volcanoes in the world. They are far less threatening than their explosive counterparts whose pyroclastic flows can destroy whole villages and kill their inhabitants.

The current eruption of Piton de la Fournaise on Reunion Island is definitely harmless. Lava flows calmly within the Enclos which is a desert area.

However, lava flows can become a danger if they head towards populated areas. They are unlikely to kill people but thay can damage or even destroy structures and houses. This is the reason why forecasting the path of lava flows can be very important in some parts of the world. For instance, when lava flows break out on the flanks of Kīlauea or Mauna Loa, Hawaii residents and emergency agencies want to know what to expect.

During the 2018 Kilauea eruption, lava from 24 fissures inundated more than 3,200 hectares of land in the Puna District and more than 700 structures were destroyed. Such figures highlight the need for forecasting the advance of lava flows to help emergency managers, residents, and Hawaiian Volcano Observatory (HVO) staff.

Highly accurate forecasts for other natural hazards such as hurricanes, flooding, drought, and even the spread of vog from Kilauea are now commonplace. Forecasting the route taken by lava flows might also prove very useful.

The most successful forecasting efforts for other natural hazards rely on the ability to simulate flows of water or air. Even though the motion of these fluids is typically much more complex than that of lava, we know a great deal more about water and air than lava as a material. We can’t see inside a lava flow to observe what is happening below the surface the way we can for water and air.

Although researchers have been applying the principles of fluid dynamics to lava flows for more than 40 years, most simulations are too slow to use during a crisis when we really want to know where the lava headed and when it will reach a certain area.

To help answer that question, HVO scientists have for many years forecasted the general path of lava flows using the principle of steepest descent. In many cases, these forecasts have worked really well; however, this method can’t by itself determine when lava will reach a certain area because it predicts only the route, not the speed or the flow’s final length.

To help answer these questions, USGS scientists are developing a new lava flow forecasting model based on the simulation of lava as it flows across real topography while cooling and solidifying. This model is designed with simplified, but realistic physics, enabling the simulation of 24 hours of lava advance in as little as a couple of minutes on an ordinary laptop.

However, a single simulation does not provide much information. By running it many times with a range of inputs, the collection of all these models can give a much better idea of the range of possible outcomes. This has been a common practice in forecasting hazardous weather such as hurricanes for many years and is now the cutting edge in volcanic hazards research. HVO scientists are investigating how to produce ensembles using this new model, with the goal of successfully forecasting lava inundation during future eruptions.

Although there is a great deal we do not know about what a volcano is about to do, we can make some short-term forecasts based on what is currently happening. These forecasts, even over short periods of time, give people in the path of lava flows the ability to plan and get ready for possible evacuations.

Source: USGS, HVO.

Coulée de lave sur le Kilauea en 2018 (Crédit photo: HVO)

 

Exemple de simulation de l’avancée d’une coulée de lave émise par la Fissure 22 lors de l’éruption du Kīlauea en 2018. Les contours de couleur montrent le front de coulée de lave par incréments d’une heure. La simulation a prévu l’entrée dans l’océan au bout de 22 heures. C’est à peu près le temps qu’a mis la lave dans la réalité. (Source: USGS)

Nyiragongo (RDC) : la difficulté de la prévision éruptive // The difficulty of eruptive prediction

L’année dernière, le 22 mai 2021, le Nyiragongo (République Démocratique du Congo) est entré brutalement en éruption. Les habitants de Goma ont vu les villageois des environs arriver en courant avec des matelas sur la tête et de grands sacs contenant leurs affaires, leurs enfants derrière eux. Ces villageois ont dit qu’il y avait un feu de forêt et qu’il se rapprochait. À 17 heures, une forte lueur est apparue dans le ciel et des explosions étaient audibles au loin. Vers 18 heures, tout le monde s’est rendu compte qu’il s’agissait d’une éruption volcanique. Vers 3 heures du matin, la coulée de lave vomie par le Nyiragongo s’est arrêtée à une centaine de mètres de la porte d’entrée de la clinique de Buhene, et à moins de 800 mètres de l’aéroport de Goma. Selon l’ONU, plus de 13 villages et 3 629 maisons ont été détruits, laissant plus de 20 000 personnes sans abri. La lave ayant détruit les lignes électriques, un quart des habitants de Goma se sont retrouvés sans électricité. Au moins 37 personnes sont mortes, soit d’une exposition à la lave ou aux gaz, soit dans des accidents pendant leur fuite devant le danger.

Dans une nouvelle étude publiée le 31 août 2022 dans la revue Nature, des scientifiques du Centre européen de géodynamique et de sismologie de Walferdange au Luxembourg, ont expliqué pourquoi l’éruption avait surpris tout le monde.
La plupart des volcans sous surveillance scientifique envoient des signaux indiquant qu’ils sont susceptibles d’entrer en éruption. En se frayant un chemin à travers la roche, le magma génère des signaux sismiques et déforme le sol à mesure qu’il monte vers la surface en libèrant des gaz toxiques.
Malheureusement, ce ne fut pas le cas pour le Nyiragongo en 2021. Selon les volcanologues locaux, le volcan se comportait comme d’habitude. Ils n’ont détecté aucun changement particulier annonçant une éruption à court terme.
Dans l’étude, les chercheurs avancent l’hypothèse qu’avant le paroxysme, le magma a pénétré à l’intérieur du flanc du Nyiragongo. La masse de roche en fusion était déjà si proche de la surface que le flanc du volcan s’est éventré, libérant immédiatement la lave, sans les signes précurseurs habituels. Le 22 mai, le flanc du Nyiragongo avait probablement été affaibli au fil du temps par des secousses sismiques et par des intrusions magmatiques, de sorte qu’il a fini par céder et laissé échapper des torrents de lave qui ont dévalé ses pentes.
Ce genre d’éruption inopinée devrait servir de leçon aux scientifiques : malgré ce que nous savons déjà sur les volcans, il y a encore des choses que nous ne comprenons pas.
Avec sa lave fluide et rapide et sa capacité à émettre du dioxyde de carbone dans son environnement, le Nyiragongo est un volcan particulièrement dangereux qui met fréquemment en danger Goma, au Congo, et Gisenyi, une ville rwandaise à proximité.
Les éruptions latérales du Nyiragongo en 1977 et 2002 ont tué des centaines de personnes, mais ces deux événements avaient été précédées de signaux indiquant que le magma était sur le point d »atteindre la surface. On avait enregistré de puissants séismes et une modification de comportement du lac de lave. De plus, le Nyiamuragira voisin était entré en éruption et on sait qu’il existe une interconnexion des conduits d’alimentation avec ceux du Nyiragongo.
Depuis 2015, un nouveau réseau sismique est installé dans la région pour détecter les mouvements du magma du Nyiragongo. Avec le bruit émis par le lac de lave qui bouillonne dans le cratère, la « bande sonore » est souvent saturée et il est donc très difficile de détecter un comportement inhabituel du volcan.
Malgré des problèmes politiques, techniques et financiers ces dernières années, le personnel de l’Observatoire Volcanologique de Goma était en mesure de surveiller le volcan au moment de l’éruption et aucun signal précurseur n’a été détecté avant l’éruption de 2021. Cela a été confirmé par des scientifiques internationaux qui ont examiné les données recueillies à l’époque : le Nyiragongo n’a montré aucune activité sismique particulière et le lac de lave n’a pas montré de changement significatif.
Selon la nouvelle étude, tout cela signifie que l’utilisation des méthodes de surveillance traditionnelles sur le Nyiragongo ne permet pas de détecter de tels types d’éruptions. Cela rend ce volcan encore plus dangereux.
La capacité du Nyiragongo à dissimuler son comportement éruptif n’est pas unique dans le monde. Certains volcans peuvent émettre leur lave tranquillement au sein de paysages fracturés, tandis que d’autres montrent de soudaines explosions de vapeur. Il faut espérer qu’un jour, en étudiant ces éruptions soudaines et imprévues à l’aide d’équipements plus performants, on puisse détecter des précurseurs qui permettront de sauver des vies. Il se peut aussi que nous ne réussissions jamais à aller plus avant dans la prévision volcanique. On peut lire dans la conclusion de l’étude : « Il y a peut-être des choses qu’on ne pourra jamais prévoir. »
Source : Le New York Times, via Yahoo News.

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Last year, on May 22nd, 2021, Nyiragongo volcano (Democratic Republic of Congo) eruptedsuddenly. The residents of Goma could see villagers from the foothills of Mount Nyiragongo hurrying with mattresses on their heads and large sacks with their belongings, children in tow. These villagers said there was a forest fire, and it was getting closer. By 5 pm, a fiery glow appeared in the sky and explosions could be heard in the distance. At about 6pm, everybody realized it was a volcanic eruption. At around 3 o’clock in the morning, the flow of lava stopped about 100 metres from the front gate of the clinic in Buhene, and less that 800 metres from Goma’s airport. According to the U.N., over 13 villages and 3,629 houses were destroyed, leaving over 20,000 people homeless. As the lava wiped out power lines, a quarter of Goma’s inhabitants were left without electricity. At least 37 people died, either from exposure to the lava or gases, or in accidents while trying to evacuate.

In a new study published on August 31st, 2022 in the journal Nature, scientists at the European Center for Geodynamics and Seismology in Walferdange, Luxembourg, explained how the eruption managed to ambush everyone.

Most sufficiently monitored volcanoes offer warning signals before erupting. Magma forcing its way through rock generates distinctive types of earthquakes, deforms the land as it ascends and unleashes noxious gases.

Not so for Nyiragongo in 2021. According to the local volcanologists, the volcano was behaving as usual. They were not able to detect any dramatic change that could tell that an eruption would occur.

In the study, the researchers suspect that, before the paroxysm, magma intruded below Nyiragongo’s flank. The molten mass was already so close to the surface that should the flank have broken apart, it would have immediately erupted without the usual precursory signs. On May 22nd, the flank, which had been weakened over time by earthquakes, and by incursions of magma, finally yielded and rivers of lava travelled down its slopes

This sort of unannounced eruption offers scientists a harsh lesson : despite what we already know about volcanoes, there are still things that we don’t understand.

With its fluid, fast-moving lava and its ability to suffuse carbon dioxide into its surroundings, Nyiragongo is an extraordinarily perilous volcano that frequently endangers Goma, in Congo, and Gisenyi, a contiguous Rwandan city.

Nyiragongo’s flank eruptions in 1977 and 2002 killed hundreds, but both were preceded by signs that magma was about to invade the surface: large earthquakes, strange lava lake convulsions and the eruption of the nearby Nyamulagira volcano, whose magmatic pathways are partially entwined with Nyiragongo’s.

Since 2015, a new seismic ntwork has been established in the region to detect Nyiragongo’s magma movements. Partly thanks to the endlessly bubbling lava lake, the soundtrack is as interminable as it is loud. Trying to pick out unusual changes is like trying to identify a new voice in a gigantic crowd of people talking.

Although the Goma Volcano Observatory has been beset with political, technical and financial troubles in recent years, its staff managed to monitor the volcano around the time of the eruption. And as far as they could tell, no precursory signals were detected before the 2021 outburst. This was confirmed by international scientists who scrutinized the scientific data that was gathered at the time : Nyiragongo had exhibited no peculiar seismic activity and its lava lake had not acted up; it had not significantly changed shape.

According to the new study, all this means that using traditional monitoring methods on Nyiragongo will not allow to detect such kinds of eruptions. This makes this volcano even more dangerous than previously thought.

Nyiragongo’s stealthy capabilities are not unique. Other volcanoes can let their lava loose from rifting landscapes relatively quietly, while others unleash unexpected blasts of steam. The hope is that by studying these eccentric eruptions, with improved technological wizardry, some lifesaving precursors will be spotted some day But it’s possible that we will never become perfect prophets of our volcanic futures. One can read in the study’s conclusion : “There may be things we will never be able to forecast.”

Source :The New York Times, via Yahoo News.

La lave du Nyiragongo a recouvert des zones habitées

Islande : la lave va-t-elle déborder et atteindre une route? // Iceland : will lava overflow and reach a road?

Nous ne sommes pas encore en mesure de prévoir les éruptions et il semble que nous ne soyons pas non plus en mesure de prévoir la trajectoire que peut emprunter une coulée de lave. Comme je l’ai déjà écrit, la lave dans la Meradalir menace de déborder dans une vallée adjacente et d’atteindre la Suðurstrandavegur, la Route 427 qui longe la côte sud de la péninsule de Reykjanes entre Grindavík et Ölfus.
Les scientifiques islandais expliquent que la lave n’a pas encore commencé à déborder de la vallée de Meradalir, mais ce n’est qu’une question de temps. Elle se trouve actuellement au niveau d’un col – le Meradalaskarð – où elle atteint huit mètres d’épaisseur. Il suffirait d’un mètre de plus pour qu’elle déborde dans la vallée. Le 10 août 2022, les scientifiques ont estimé qu’un tel événement pourrait se produire en quelques heures, mais jusqu’à présent, le niveau de la lave a augmenté plus lentement que prévu.
Ce qui intrigue les scientifiques, c’est que la lave a décidé de couler dans d’autres directions depuis qu’elle s’est rapprochée du col. Ils sont forcés d’admettre que « la façon dont la lave s’écoule est aléatoire ». Des langues se détachent du lac de lave formé à la source, et le 11 août, la lave s’écoulait principalement dans le voisinage immédiat du cratère, vers l’ouest et le nord. En conséquence, les scientifiques ne sont pas en mesure de dire si la lave débordera de la vallée « demain ou dans une semaine ».
Par mesure de précaution, le Département de Protection civile construira probablement des barrages pour essayer d’empêcher la lave d’atteindre la Route 427. De tels barrages ne sont que des mesures temporaires, mais de tels obstacles sur le chemin de la lave ont connu un certain succès en 2021 lors de la précédente éruption.
Source : médias d’information islandais.

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We are not yet able to predict eruptions and it looks as if we are not able either to predict the route a lava flow can take. As I put it before, lava in Meradalir threatens to overflow in a valley and reach Suðurstrandavegur, a road that runs along the south coast of the Reykjanes peninsula between the municipalities of Grindavík and Ölfus.

Local scientists say that lava has yet to start flowing out of the Meradalir valley, but it is just a matter of time. Lava is currently at a mountain pass called Meradalaskarð where it has reached a height of eight metres. Should it rise a metre or higher, it will overflow the valley. On August 10th, 2022, scientists estimated that this could happen over the course of a few hours, but so far, the lava level has been rising slower than anticipated.

What puzzles the scientists is that the lava has been flowing in other directions since it got close to the pass. Scientists need to admit that « the way the lava flows is random ». Tongues are breaking off from the lake of lava at the source and on August 11th the lava was mostly flowing in the immediate vicinity of the crater, mostly to the west and the north. As a consequence, it is not possible for scientists to say whether the lava will overflow the valley “tomorrow or in a week

As a precaution, the Department of Civil Protection will likely build deflecting dams to prevent lava from flowing onto Rte. 427. Such dams are only temporary measures, but experiments erecting these barriers in the path of oncoming lava were successful in 2021 during the previous eruption.

Source: Icelandic news media.

Digue érigée lors de l’éruption de 2021 (Photo: C. Grandpey)

Islande : réouverture prochaine du site éruptif et quelques réflexions // Iceland : upcoming reopening of the eruptive site and some thoughts

La Protection Civile islandaise vient d’indiquer que le site de l’éruption sera de nouveau ouvert aux visiteurs le mardi 9 août 2022 à partir de 10 heures. En effet, les conditions météorologiques devraient s’améliorer dans les prochaines heures. Hier, des touristes qui n’étaient pas au courant de la fermeture sont repartis fort déçus.

D’après les images fournies par les webcams, l’éruption continue de manière relativement stable dans la Meradalir, à partir de la fissure d’environ 150 m de longueur.

Contrairement à l’éruption de 2021, les scientifiques islandais se font très discrets cette année quant aux pronostics. Il est vrai qu’en 2021, l’éruption a pris fin beaucoup plus rapidement que prévu. Les volcanologues locaux pensaient qu’elle pourrait durer des mois, voire, des années. Au bout de quelques semaines seulement, la lave a décidé de plier bagages.

Début août 2022, la prévision éruptive a été relativement bonne. Il est vrai que les instruments avaient bien montré la présence d’une intrusion magmatique à faible profondeur. On a pu se rendre compte de l’aide précieuse apportée à la fois par les sismomètres et par le système satellitaire InSAR pour la détection de la déformation du sol. Dans une note publiée le 3 août 2022, j’écrivais que »selon la dernière analyse du Met Office islandais (IMO), la probabilité d’une éruption dans la région de Fagradalsfjall dans les jours ou semaines à venir est à prendre en compte. » En fait, ce sont seulement quelques heures plus tard que la lave a pointé le bout de son nez dans la Meradalir.

Il est, bien sûr, impossible de faire des prévisions sur l’évolution et la durée de l’éruption. Se limitera-t-elle à la fracture actuelle? D’autres fractures sont-elles susceptibles de s’ouvrir comme en 2021? Personne ne le sait.

Les analyses chimiques de la lave permettront peut-être de répondre à une question que je me pose : L’éruption actuelle est-elle un événement isolé, indépendant, ou bien est-elle la suite – avec quelques mois d’écart – de l’éruption de Fagradalsfjall qui a eu lieu à proximité du site éruptif actuel?

En attendant d’avoir la réponse, profitons du spectacle!

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The Icelandic Civil Protection has just indicated that the site of the eruption will be open to visitors again on Tuesday August 9th, 2022 from 10 am. Indeed, the weather conditions should improve in the next few hours. Yesterday, tourists who were not aware of the closure left very disappointed.
According to the images provided by the webcams, the eruption continues in a relatively stable manner in Meradalir, from the 150-meter-long fissure.
Unlike the 2021 eruption, Icelandic scientists are keeping a low profile this year about predictions. In 2021, the eruption ended much faster than expected. Local volcanologists thought it could last for months or even years. After only a few weeks, the lava decided to pack up.
At the beginning of August 2022, the eruptive prediction was quite good. The instruments had clearly shown the presence of a magma intrusion at shallow depth. We were able to realize the valuable help provided by both seismometers and the InSAR satellite system for detecting ground deformation. In a post published on August 3rd, 2022, I wrote that « according to the latest analysis by the Icelandic Met Office (IMO), the probability of an eruption in the Fagradalsfjall area in the coming days or weeks is to be taken into account.  » In fact, it was only a few hours later that lava pierced the surface in Meradalir.
It is, of course, impossible to make predictions about the evolution and duration of the eruption. Will it be limited to the current fissure? Are other fissures likely to open as in 2021? No one knows.
The chemical analyzes of the lava will perhaps make it possible to answer a question that I ask myself: Is the current eruption an isolated, independent event, or is it the continuation – with a few months’ difference – of the Fagradalsfjall eruption that took place near the current eruptive site?
While waiting for the answer, let’s enjoy the show!

Image webcam du 7 août 2022 vers 22 heures