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Le risque sismique sur la Grande Ile d’Hawaii // The seismic hazard on Hawaii Big Island

Hawaii est bien connu pour ses volcans actifs. Les éruptions du Mauna Loa et du Kilauea sont souvent spectaculaires et peuvent être destructrices. Il ne faudrait pas oublier non plus que l’Etat d’Hawaï est aussi sujet à des tremblements de terre. C’est l’un des endroits les plus sismiques des États-Unis, avec des milliers de secousses chaque année. Pas plus tard que le 28 avril 2019, la Grande Ile a été secouée par un séisme de M 4,2 dont l’épicentre se trouvait sous le flanc sud de Kilauea, à environ 20 km au sud-est du sommet et à une profondeur de 7 km. L’événement a été largement ressenti dans toute la partie orientale de Big Island. Il n’a toutefois causé aucune modification d’activité sur le Kileaua.
Les séismes du passé ont causé des dégâts structurels de plusieurs millions de dollars à la petite ville de Hilo. Le tremblement de terre de M 6,2 en 1973 avait une intensité VIII sur l’échelle de Mercali, avec 11 blessés et 5,6 millions de dollars de dégâts.
Le séisme de M 7,7 à Kalapana, en 1975 a été enregistré avec une intensité VIII à Hilo, et il a causé pour 4,1 millions de dollars de dégâts.
Hilo est la quatrième ville de l’État en termes de population, avec environ 43 000 habitants. On compte au moins 40 bâtiments historiques dans cette ville, y compris des écoles, des hôpitaux, des postes de police, des immeubles de bureaux, des magasins et des églises. L’architecture de Hilo lui donne souvent l’aspect d’une ville d’avant la seconde guerre mondiale. Elle est souvent considérée comme la plus ancienne ville de l’État. En fait, son histoire remonte à  l’année 1100. Les bâtiments historiques sont particulièrement vulnérables aux séismes, en particulier ceux construits avant l’adoption des normes parasismiques.
Selon le HVO, c’est l’intensité des ondes sismiques dans une zone donnée qui détermine le risque de dégâts. Une secousse avec une intensité «très forte» de VII peut causer des dégâts considérables aux structures mal construites, mais endommage généralement peu des structures bien conçues. Une secousse avec une intensité «sévère» de VIII causera des dégâts considérables à la plupart des bâtiments ordinaires. Avec une intensité «violente» de IX, même des structures spécialement conçues pour résister aux tremblements de terre peuvent subir des dégâts considérables. L’intensité «extrême» X détruira la plupart des structures. Il a été admis que des séismes de magnitude M 6,0 à Hawaii peuvent causer des dégâts sur de vastes zones.
L’État d’Hawaï a pris des mesures pour remédier aux problèmes de construction. En outre, un rapport de 2017 indique que 29% des routes hawaiiennes sont en mauvais état. Hawaii se situe au cinquième rang des pires villes du pays pour son réseau routier. Pour ce qui est du financement des routes dans le budget fédéral, Hawaii est le 10ème plus bas des Etats Unis. Près de 6% des routes hawaïennes ont été jugées en mauvais état. Les barrages constituent également le plus grand danger à Hawaii, comparés aux autres États.
Compte tenu de ces informations, certains habitants ne se sentent pas en sécurité sur leur lieu de travail et redoutent les séismes. Ils font remarquer que ce qui s’est passé à Christchurch (Nouvelle-Zélande) en 2011 pourrait aussi se produire à Hilo.
Les autorités expliquent que la Grande Ile doit s’attendre à de nouveaux séismes et s’y préparer. Les habitants doivent être conscients que des événements majeurs se produisent de temps en temps, même s’il n’y en a pas eu de secousse d’une magnitude supérieure à M6.9 depuis assez longtemps. Un sismologue du HVO a déclaré: «Le tout n’est pas de savoir si un puissant séisme se produira, mais de savoir quand il se produira. »
Source: Big Island Now.

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Hawai‘i is well known for its active volcanoes. The eruptions of Mauna Loa and Kilauea are often spectacular and can be setructive. One should not forget either that Hawaii is also an earthquake country. It is one of the most seismically active states in the US, experiencing thousands of earthquakes  each year. As recently as April 28th, 2019, Big Island residents experienced an M 4.2 earthquake beneath Kilauea’s south flank, roughly 20 kilometres SE of the summit at a depth of 7 kilometres. The quake was widely felt across East Hawaii. It did not cause any changes on Kileaua Volcano.

Earthquakes in the past have caused millions of dollars in structural damage to the small town of Hilo. The 1973 M 6.2 earthquake produced shaking of intensity VIII on the Mercali scale, injuring 11 people and causing 5.6 million dollars of damage.

The 1975 M 7.7 Kalapana earthquake caused a shaking with an intensity VIII in Hilo, causing 4.1 million dollars in damage.

Hilo is the state’s fourth largest city by population with approximately 43,000 residents. There are at least 40 historic buildings in this town, including schools, hospitals, police stations, office buildings, storefronts and churches. Hilo’s architecture gives it a pre-World War II persona. The city is often considered to be the state’s oldest one. In fact, oral history can be traced back to 1,100 AD. Historic buildings are especially vulnerable to seismic events, particularly those built before seismic codes were adopted.

According to the Hawaiian Volcano Observatory, what determines the potential for damage is how intense the seismic waves generated by the earthquake are in any given area. Shaking with ‘very strong’ intensities of VII can cause considerable damage to poorly-built structures but generally little damage to well-designed structures. It takes shaking at ‘severe’ intensity VIII to cause considerable damage to most ordinary buildings. At ‘violent’ intensity IX, even specially designed earthquake-tolerant structures can have considerable damage. ‘Extreme’ intensity X can destroy most structures. It has been admitted that earthquakes above magnitude M 6.0 in Hawai‘i generally can produce damages over large areas.

The state of Hawaii has taken some action to address building concerns. Besides, a 2017 report indicates that 29% of the state’s roads are in poor condition, ranking Hawaii the fifth worst in the nation. For highway funding as a percentage of the total government spending, Hawaii is the 10th lowest in the nation. Nearly 6% of Hawai‘i roads were deemed deficient. Dams posed the most hazard in Hawaii than any other state.

Given these reports, some residents feel unsafe in their workplace during earthquakes. They say that what happened in Christchurch (New Zealand) in 2011 that could so easily happen in Hilo.

Authorities explain that the Big Island needs to be prepared for earthquakes. Residents need to be aware there are big ones now and then, even though it has been there has not been an event above M6.9 for quite a long time. Said one HVO seismologist “It’s not a matter of if, but when a strong earthquake will occur.”

Source: Big Island Now.

Des séismes sont souvent enregistrés sur le flanc sud du Kilauea (Source: USGS)

Séismes et éruptions volcaniques // Earthquakes and volcanic eruptions

A l’issue de ma conférence « Volcans et risques volcaniques », les gens me demandent souvent s’il existe un lien entre les séismes et les éruptions volcaniques. Je réponds que dans certaines circonstances, on a cru voir un lien et que, dans d’autres, le lien était loin d’être évident. Cependant, j’insiste sur le fait que la sismicité est présente avant une éruption car le magma provoque une fracturation des roches pendant son ascension et cette fracturation est enregistrée par les sismomètres.
Les séismes d’origine tectonique – provoqués par les mouvements des plaques, en particulier dans les zones de subduction – font partie des phénomènes naturels les plus impressionnants sur Terre. Rien d’étonnant à ce qu’ils soient parfois associés au déclenchement des éruptions volcaniques. Les volcans sont souvent situés dans des régions sismiques comme la célèbre Ceinture de Feu du Pacifique. On y enregistre 90% des séismes et on y rencontre 75% de tous les volcans actifs de la planète. Les éruptions et les tremblements de terre ont souvent lieu à peu près au même moment; Cependant, on ne peut affirmer qu’il existe un lien direct entre un séisme et une éruption qui a eu lieu peu de temps après le premier événement. Le volcan était peut-être déjà sur le point d’entrer en éruption, ou bien il était déjà en éruption depuis longtemps.
Des études récentes laissent supposer qu’il pourrait exister un lien entre les séismes et les éruptions volcaniques dans certaines situations. Par exemple, un article paru en 1993 établit un lien entre un séisme de magnitude M 7,3 en Californie et des manifestations volcaniques et géothermales observées immédiatement après. Une étude publiée en 2012 estime qu’un séisme de magnitude M 8,7 au Japon en 1707 a entraîné la pénétration du magma dans une chambre peu profonde du Mont Fuji et déclenché une puissante explosion du volcan 49 jours plus tard. Le séisme de magnitude M 7,2 survenu le 29 novembre 1975 sur le Kilauea à Hawaii a été rapidement suivi d’une éruption de courte durée.

Cependant, il existe d’autres cas où un séisme majeur n’a pas été suivi d’une éruption. L’un des meilleurs exemples se situe au Japon en 2011. Les scientifiques japonais craignaient que le puissant séisme de Tohoku (magnitude M 9.1) le 11 mars 2011 réveille le Mont Fuji, ce qui ne s’est jamais produit!
A l’heure actuelle, les mécanismes de déclenchement des séismes ne sont pas bien compris, et les documents reliant les tremblements de terre à des éruptions ne s’appuient que sur des spéculations. Il est possible que le timing dans tous les exemples mentionnés ci-dessus soit juste une coïncidence. Les géologues doivent avant tout comprendre le déclenchement des séismes et exclure toute intervention du hasard avant d’établir un lien entre séismes et éruptions.

Parfois, il est fait référence à l’histoire pour montrer la corrélation entre les séismes et les éruptions volcaniques. Un document publié en 2009 a utilisé des données historiques pour montrer qu’il existe une relation entre un séisme de M 8,0 au Chili et un nombre d’éruptions en nette hausse sur certains volcans situés à une distance pouvant aller jusqu’à 500 km. Le problème est que de telles données historiques ne sont pas vraiment fiables. En effet, les grands séismes et les grandes éruptions volcaniques sont des événements relativement peu fréquents, et les scientifiques ne disposent pas d’un recul suffisant. Les archives fiables n’existent que depuis un demi-siècle ou un peu plus, selon les régions.
Dans le passé, les données provenaient de récits de voyages et de journaux de bord assez ambigus. Ainsi, en 1840, Darwin a recueilli des informations fournies par des témoins oculaires et relatives à des modifications mineures survenues sur des volcans chiliens à la suite du puissant séisme de 1836. Au final, en lisant les écrits de Darwin, on ignore si des éruptions ont eu lieu.
Des simulations ont été réalisées en laboratoire en 2016 et 2018 pour tenter de comprendre le comportement du magma dans la chambre magmatique et voir si ce comportement pourrait éventuellement déclencher des séismes. Cependant, aucune corrélation réelle entre les séismes et les éruptions volcaniques n’est ressortie de ces expériences.
Adapté d’un article de 2018 dans le National Geographic.

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During my conference “Volcanoes and volcanic risks”, people often ask me whether there is a link between earthquakes and volcanic eruptions. I answer that on some occasions there appears to be some link and in other circumstances the link is far from clear. However, I insist that seismicity is always linked to an eruption and present before the event as magma causes the fracturing of rocks during its ascent and this fracturing is recorded by the seismometers.

Tectonic earthquakes – caused by the movement of plates, especially in subduction zones – are among the most powerful natural phenomena on the planet. It’s no surprise that they are sometimes suspected of being able to trigger volcanic eruptions. Earth’s volcanoes are often located in seismic parts of the world like the well-known Ring of Fire around the Pacific Ocean. This area hosts 90 percent of the world’s recorded earthquakes and 75 percent of all active volcanoes. Eruptions and earthquakes are often taking place at roughly the same time; however, you can’t automatically assume that there’s a connection between a given quake and a subsequent eruption. The volcano may have already been preparing to erupt, or it is already been erupting for a long time.

Recent studies suggest that a connection could potentially exist between earthquakes and volcanic eruptions in certain situations. For instance, a 1993 paper links an M 7.3 quake in California to volcanic and geothermal rumblings immediately afterward. And a 2012 study reckons that an M 8.7 earthquake in Japan in 1707 forced deeper magma up into a shallow chamber, triggering a huge blast at Mount Fuji 49 days later. There was also the M 7.2 earthquake on Hawaii’s Kilauea volcano on November 29th, 1975, which was quickly followed by a short-lived eruption.

However, there are other examples showing that a major earthquake has not been followed by an eruption. One of the best example was in Japan in 19 when Japanese scientists feared the powerful M 9.1 Tohoku earthquake on March 11th, 2011 might wake up Mount Fuji, which it never did!

The triggering mechanisms for earthquakes are not well understood, and papers linking quakes to later eruptions can really only speculate. It is quite possible that the timing in all these examples was just a coincidence. Geologists must understand the specific triggering and rule out chance before a connection can be definitively made.

Sometimes, reference is made to history to show the correlation between earthquakes and volcanic eruptions. A 2009 paper used historical data to show that that M 8.0 quakes in Chile are associated with significantly elevated eruption rates in certain volcanoes as far as 500 kilometres away. The problem is that these sorts of historical data are not really reliable. Indeed, major earthquakes and large volcanic eruptions are both relatively infrequent events, and scientists have only been reliably keeping these records for the last half century or more, depending on the region.

Many data points in the past come from fairly ambiguous news reports and journal entries. For instance, in 1840, Darwin gathered eyewitness information on some minor changes at Chilean volcanoes following the powerful quake there in 1836. However, it is unclear if any eruptions took place.

Simulations were performed in laboratory in 2016 and 2018 to try and understand magma behaves within the chamber and how this behaviour might eventually trigger earthquakes. However, no real correlation between earthquakes and volcanic eruptions came out of these experiments.

Adapted from a 2018 article in the National Geographic.

La Ceinture de Feu du pacifique, une zone sismique et volcanique très active (Source: Wikipedia)

Le Mont Fuji, un volcan sous surveillance (Crédit photo: Wikipedia)

Pas de cycle éruptif à Yellowstone // No eruptive cycle at Yellowstone

Je n’ai jamais cru aux cycles éruptifs, encore moins lorsque ces cycles couvrent des périodes de milliers d’années. Certains volcanologues affirment qu’une éruption à Yellowstone est «en retard» car le volcan a un cycle éruptif de 600 000 ans et aucune éruption ne s’est produite depuis 631 000 ans. À mes yeux, cela semble un peu tiré par les cheveux!
Heureusement, de nombreux scientifiques ne sont pas d’accord avec cette théorie et certains d’entre eux ont expliqué dans les Yellowstone Chronicles pourquoi elle n’était pas valable. Ils expliquent d’abord que beaucoup de gens ont tendance à évoquer les puissants séismes en faisant référence à la notion de cycle. Les séismes se produisent lorsque suffisamment de contrainte s’accumule sur une faille et provoque sa rupture. Cette contrainte s’accumule du fait du mouvement constant des roches de part et d’autre de la faille. La vitesse de ce mouvement est généralement constante sur des milliers, voire des millions d’années, de sorte que les séismes qui en résultent peuvent avoir une fréquence assez régulière. C’est pourquoi il est possible de calculer les probabilités à long terme de séismes dans certaines régions.
En suivant cette logique concernant les séismes, on devrait pouvoir prendre en compte les âges des éruptions passées à Yellowstone et calculer un intervalle de récurrence moyen (en supposant que les éruptions à Yellowstone se produisent sur une base régulière). S’agissant des éruptions majeures, Yellowstone en a connu trois: il y a 2,08, 1,3 et 0,631 millions d’années. Cela équivaut à un laps de temps d’environ 725 000 ans en moyenne entre les éruptions. Cela étant, il reste environ 100 000 ans à justifier, mais ce nombre est basé sur très peu de données et n’a donc pratiquement aucun sens.
Le problème, c’est que les volcans ne fonctionnent pas comme les failles qui déclenchent les séismes. À de rares exceptions près, le magma ne s’accumule pas à une vitesse constante à l’intérieur des édifices volcaniques. Au lieu de cela, les éruptions se produisent quand il y a suffisamment de magma dans le sous-sol et quand il y a une pression suffisante pour que ce magma monte à la surface. Cela ne se produit généralement pas selon un planning bien établi. Nous en avons la preuve avec les coulées de lave de Yellowstone qui sont la forme la plus courante l’activité éruptive sur ce volcan; la plus récente remonte à 70 000 ans.

Ces coulées de lave ne sont pas apparues régulièrement dans le temps. Elles sont apparues en tirs groupés, avec plusieurs éruptions en l’espace de quelques milliers d’années, séparées par des centaines de milliers d’années sans aucune éruption. En effet, les réservoirs magmatiques de Yellowstone reçoivent le nouveau magma de manière discontinue, ce qui entraîne plusieurs éruptions sur une courte période, avec de longues périodes de repos entre ces épisodes éruptifs.
Donc, dire que Yellowstone est « en retard » dans son cycle éruptif n’a aucun sens. Yellowstone n’est pas en retard et personne ne sait quand la prochaine éruption aura lieu. Visiter le Parc National de Yellowstone ne présente aucun risque… pour le moment!
Source: Yellowstone Chronicles.

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I have never believed in eruptive cycles, all the less when these cycles include periods of thousands of years. Some volcanologists affirm that an eruption in Yellowstone is “overdue” because the volcano has an eruptive cycle of 600,000 years and no eruption has occurred for 631,000 years. To my eyes, this seems a little far-fetched!

Fortunately, many scientists do not agree with this approach and some of them have explained in the Yellowstone Chronicles why it is not valid. They first explain that many people tend to think of big earthquakes by referring to the notion of cycles. Earthquakes occur when enough stress builds up on a fault and makes the fault snaps. The stress accumulates because of consistent motion of the rocks on either side of the fault. The rate of this motion is generally constant over thousands to millions of years, so the earthquakes that result from the motion can have fairly regular timing. This is why it is possible to calculate the long-term probabilities of earthquakes in some areas.

By this logic, we should be able to look at the ages of past Yellowstone eruptions and calculate an average recurrence interval (assuming Yellowstone eruptions occurred on a regular schedule). In terms of large explosions, Yellowstone has experienced three of them : 2.08, 1.3, and 0.631 million years ago. This comes out to an average of about 725,000 years between eruptions. That being the case, we still have about 100,000 years to go, but this number is based on very little data and so is basically meaningless.

Volcanoes, however, are not like faults. With rare exceptions, volcanoes do not accumulate magma at a constant rate. Instead, they erupt when there is a sufficient supply of liquid magma in the subsurface and sufficient pressure to cause that magma to ascend to the surface. This does not generally happen on a schedule.

We have the proof of this with the Yellowstone lava flows which are the most common form of magmatic eruption at Yellowstone; the most recent one was 70,000 years ago. However, these lava flows did not erupt regularly through time. Instead, they erupted in tight clusters, with several eruptions happening within the space of a few thousand years, separated by up to hundreds of thousands of years with no eruptions. This is because the Yellowstone magma reservoir system receives new magma only in discontinuous batches, causing several eruptions in a short period of time with long periods of quiet in between these episodes.

So, saying that Yellowstone is “overdue” is sheer nonsense. Yellowstone is not overdue and nobody knows when the next eruption will take place. Visiting Yellowstone National Park is safe…for the moment!

Source: Yellowstone Chronicles.

Source : Yellowstone Volcano Observatory

Photos: C. Grandpey

La situation sismique à Mayotte (suite) // The seismic situation in Mayotte (continued)

Dans son bulletin mensuel du mois de mars, l’OVPF fait le bilan de la situation sur le Piton de la Fournaise, mais donne aussi des nouvelles de la sismicité sur l’île de Mayotte. Comme indiqué précédemment, cette sismicité a débuté au début du mois de mai 2018. Elle consiste en essaims sismiques dont les épicentres se situent à 30 à 60km à l’est de la côte de Mayotte. La grande majorité de ces séismes est de faible magnitude, mais plusieurs évènements de magnitude modérée (avec un maximum de M 5,9) ont été ressentis par la population et ont endommagé certaines constructions.

Depuis le mois de juillet l’activité sismique a diminué mais une sismicité persiste et certains événements sont ressentis par les habitants. Cette situation m’a été confirmée par des Mahorais à l’occasion du Salon du Livre de Paris. Mars 2019 a été particulièrement actif avec notamment 24 séismes de magnitude supérieure ou égale à M 4 comptabilisés par le BRGM entre le 1er et le 24 mars. A noter que le 28 mars, lendemain de la publication par le BRGM de son bulletin mensuel évoquant une stabilité des secousses sismiques, les habitants ont été réveillés vers 4h40 par un événement de M 4,6. L’épicentre a été localisé à environ 60 kilomètres de Mamoudzou.

Les données des stations GPS du réseau Teria installées sur l’île de Mayotte indiquent depuis le mois de juillet un déplacement d’ensemble vers l’est d’environ 15 cm et une subsidence d’environ 6-12 cm suivant les sites au cours de cette même période. Pour les 3 derniers mois, la source à l’origine de ces déplacements a pu être localisée à une trentaine ou quarantaine de km à l’est de Mayotte et à environ 35 km de profondeur. Cela laisse supposer que des transferts de fluides dans la croûte se poursuivent toujours dans le secteur de l’essaim sismique.

Source : OVPF, Outremer News, Le Journal de Mayotte.

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In its monthly bulletin of March, OVPF explains the situation on Piton de la Fournaise, but also gives news of seismicity on the island of Mayotte. As mentioned previously, this seismicity began in early May 2018. It consists of seismic swarms whose epicentres are located 30 – 60km east of the coast of Mayotte. The vast majority of these earthquakes are of low magnitude, but several events of moderate magnitude (with a maximum of M 5.9) have been felt by the population and have damaged some buildings.
Since the month of July, seismic activity has decreased but seismicity persists and certain events are felt by the inhabitants. This situation was confirmed to me by Mahorais at the Paris Book Festival. March 2019 was particularly active, with 24 earthquakes with magnitudes greater than or equal to M 4 recorded by BRGM between March 1st and 24th. It should be noted that on March 28th, the day after the publication by BRGM of its monthly bulletin evoking a stability of the earthquakes, the inhabitants were awakened around 4.40am by an M 4.6 event. The epicentre was located about 60 kilometres from Mamoudzou.
Data from the Teria network of GPS stations installed on the island of Mayotte have indicated since July an overall displacement to the east of about 15 cm, and a subsidence of about 6-12 cm according to the sites during this same period. For the last 3 months, the source at the origin of these displacements could be located about thirty or forty kilometres east of Mayotte and about 35 km deep. This suggests that fluid transfers in the crust are still continuing
in the sector of the seismic swarm.
Source: OVPF, Outremer News, Le Journal de Mayotte.

Déplacements (en mètres) enregistrés sur 4 stations GPS localisés à Mayotte et au nord de Madagascar à Diego Suarez  sur les composantes est (en haut), nord (au milieu) et vertical (en bas) entre avril 2018 et mars 2019 (Source : OVPF, IPGP)

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