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Les infrasons au service de la volcanologie // Could nfrasound help predict eruptions?

Une nouvelle étude conduite par des scientifiques de la Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences et de l’Université de Boise (Idaho), et publiée dans la revue Geophysical Research Letters, montre que l’étude des infrasons émis par un certain type de volcans pourrait améliorer la prévision d’éruptions potentiellement mortelles. Les chercheurs ont analysé les infrasons détectés par les stations de surveillance du Villarrica dans le sud du Chili. Ces infrasons proviennent des mouvements du lac de lave à l’intérieur du cratère et changent en fonction de l’activité du volcan. L’étude tente de démontrer comment ces variations ont pu annoncer la hausse soudaine du niveau du lac, ainsi que ses fluctuations rapides vers le bord du cratère juste avant l’éruption majeure de 2015. Le suivi des infrasons en temps réel et son association à d’autres données, telles que la sismicité et les émissions de gaz, pourrait permettre d’alerter la population locale et les touristes lorsque’un volcan est sur le point d’entrer en éruption.
La dernière éruption majeure du Villarrica a eu lieu le 3 mars 2015. Ce fut un événement de courte durée au cours duquel on a observé une fontaine de lave de 1 500 mètres de hauteur, avec des projections de cendre et autres matériaux. 4 000 personnes ont été évacuées. Les stations de surveillance infrasonique installées sur le Villarrica deux mois avant l’événement de 2015 ont enregistré son activité sonore avant et après l’éruption. En analysant ces données, les chercheurs ont constaté que dans la période précédant l’éruption, l’intensité du signal infrasonique augmentait, tandis que sa durée diminuait. Des survols ont fourni des informations sur les changements intervenus dans le lac de lave du Villarrica, ce qui a permis aux chercheurs d’étudier la relation entre les variations de son niveau et le niveau des sons émis.
Un des chercheurs a proposé une comparaison avec un instrument de musique pour expliquer cette relation. De la même façon qu’une personne souffle dans un trombone, les explosions provoquées par les bulles de gaz qui montent puis éclatent à la surface du lac de lave créent des ondes sonores. Tout comme la coulisse d’un trombone peut faire varier la tonalité des notes qu’il produit, la géométrie du cratère qui contient le lac de lave module ses sons. Lorsque le lac de lave est profondément enfoncé à l’intérieur du cratère, le son est émis à une fréquence plus basse. Lorsque le lac de lave remonte dans le cratère, annonçant une possible éruption, la fréquence du son augmente, comme lorsque la coulisse du trombone est raccourcie.
Le but des recherches à venir sera d’établir un lien entre l’étude des infrasons et d’autres variables – telles que la sismicité – qui sont essentielles à la surveillance des volcans et la prévision de leurs éruptions. Avant une éruption, l’activité sismique augmente presque toujours. Cette sismicité provient de plusieurs kilomètres de profondeur, pendant l’ascension du magma dans le système d’alimentation du volcan. Les volcanologues pensent que les variations de niveau du lac de lave – et les infrasons correspondant – sont dus à l’injection d’un nouveau magma dans les conduits d’alimentation du volcan, avec augmentation du risque d’une éruption violente.
Cette étude montre que l’enregistrement des infrasons devrait être une aide supplémentaire dans la prévision du comportement des volcans « ouverts » comme le Villarrica, où existe un lac de lave bien visible et où des conduits d’alimentation font le lien entre les entrailles de la Terre et la surface du volcan. Cependant, les volcans « fermés » comme le Mt St Helens aux Etats Unis, où le magma reste prisonnier à l’intérieur de l’édifice jusqu’à ce qu’une éruption explosive se produise, ne génèrent pas le même type d’infrasons et posent donc d’autres problèmes de prévision. Cela confirme que les volcans sont un monde complexe et qu’il n’existe actuellement aucun moyen universel de prévoir leurs éruptions.
Source: Science Daily.

En cliquant sur ce lien, vous verrez une vidéo montrant le lac de lave du Villarrica: https://youtu.be/FuK1C6xZknY

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A new study by scientists from Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences and Boise State University (Idaho) and published in the journal Geophysical Research Letters has shown that monitoring infrasound produced by a type of active volcano could improve the forecasting of potentially deadly eruptions. The researchers analyzed the infrasound detected by monitoring stations on the slopes of the Villarrica volcano in southern Chile. The distinctive sound emanates from the movements of a lava lake inside the crater and changes according to the volcano’s activity. The study tries to demonstrate how changes in this sound signaled a sudden rise in the lake level, along with rapid up-and-down motions of the surging lake near the crater’s rim just ahead of a major eruption in 2015. Tracking infrasound in real time and integrating it with other data, such as seismic readings and gas emission, might help alert nearby residents and tourists that a volcano is about to erupt.
Villarrica’s last significant eruption occurred on March 3rd, 2015. Itas a short-lived event during which the volcano emitted a fountain that went up to 1,500 metres into the sky, together with ash and debris. Around 4,000 people were evacuated close to the volcano. Infrasound monitoring stations established at Villarrica just two months before the 2015 event captured its before-and-after sonic activity. Studying these data, the research team saw that in the build-up to the eruption, the pitch of the infrasound increased, while the duration of the signal decreased. Flyovers in aircraft documented the changes in Villarrica’s lava lake, allowing researchers to explore connections between its height and the sound generation.
One of the researchers offered a music analogy to explain this relationship. Similar to a person blowing into a trombone, explosions from gas bubbles rising and then bursting at the surface of the lava lake create sound waves. Just as the shape of a trombone can change the pitch of the notes it produces, the geometry of the crater that holds the lava lake modulates its sounds. When the lava lake is deep down in the volcano’s crater, the sound registers at a lower pitch or frequency. When the lava lake rises up in the crater, potentially heralding an eruption, the pitch or frequency of the sound increases, just like when the trombone is retracted.
Future research will seek to tie infrasound generation to other critical variables in volcano monitoring and eruption forecasting, such as seismicity. Ahead of an eruption, seismic activity almost always increases. This seismicity emanates from several kilometress underground as magma moves through the volcano’s feeding system. Volcanologists think that changes in lava lake levels — and their corresponding infrasound — result from the injection of new magma through volcanic plumbing, increasing the odds of a violent eruption.
In this way, the collection of infrasound should prove beneficial for forecasting purposes at « open vent » volcanoes like Villarrica, where an exposed lake or channels of lava connect the volcano’s innards to the atmosphere. However, closed vent volcanoes like Mt St Helens, where the pooling magma remains trapped under rock until an explosive eruption occurs, do not generate the same kind of infrasound and thus pose additional forecasting challenges. This confirms that volcanoes are complicated and there is currently no universally applicable means of predicting eruptions.
Source: Science Daily.

By clicking on this link, you will see a video showing Villarrica’s lava lake: https://youtu.be/FuK1C6xZknY

Vue du Villarrica et d’une fontaine de lave dans son cratère (Crédit photo: Wikipedia)

Hualalai (Hawaii)

Le Hualalai est un volcan bouclier situé sur la Grande Ile d’Hawaï. Son sommet s’élève à 2523 mètres au-dessus du niveau de la mer. Le volcan est le plus occidental des cinq grands volcans de l’île. Sa zone de rift nord-ouest est bien marquée, celle du sud-sud-est l’est un peu moins et la zone de rift nord est à peine visible. L’éruption la plus récente de 1800-1801 s’est produite le long de la zone de rift nord-ouest.
Une amie hawaiienne fait partie des habitants qui ont élu domicile sur les flancs du Hualalai. Pour le moment, elle peut vivre et dormir sans crainte dans sa maison qui offre une vue superbe sur l’Océan Pacifique. En effet, aucune éruption n’est prévue à court terme. Toujours considéré comme un volcan actif, le Hualalai ne montre actuellement aucun signe de réveil. Si une éruption menaçait, elle serait signalée par une augmentation de l’activité sismique et des déformations du sol qui trahissent l’ascension du magma vers la surface
Les scientifiques surveillent actuellement le volcan 24 heures sur 24 en utilisant des sismomètres et des capteurs GPS. De plus, tous les deux ans, le personnel du HVO contrôle la déformation de l’édifice pour évaluer les changements intervenus dans la surface du sol. Ces mesures s’ajoutent aux images satellites qui peuvent révéler des modifications physiques ou thermiques ou encore des émissions de gaz.
Même si la situation est calme aujourd’hui, il ne faudrait pas oublier que le Hualalai est entré en éruption à trois reprises au cours des 1000 dernières années, et il a été tout près d’émettre de la lave lors d’un épisode d’activité sismique intense en 1929.
La dernière éruption du Hualalai a eu lieu en 1800-01, avec deux coulées de lave en provenance de la zone du rift nord-ouest du volcan. La lave a atteint l’océan sur la côte de Kona et l’une des coulées a provoqué des dégâts. La coulée de Kaupulehu, est sortie de terre à environ 1800 mètres d’altitude et a atteint la mer entre Kona Village Resort et Kiholo Bay. L’autre, connue sous le nom de coulée Hue Hue, a été émise à seulement 150 mètres d’altitude (voir carte ci-dessous) et a détruit plusieurs villages ; elle a donné naissance au champ de lave sur lequel a été construit l’aéroport international de Kona. On discerne parfaitement ces coulées encore aujourd’hui lorsque l’on parcourt la Highway 19 qui longe la côte ouest d’Hawaii. Le volume total de lave émis au cours de cette éruption a été estimé à 300 millions de mètres cubes. Une légende raconte qu’aucun sacrifice d’animaux ni aucune offrande aux dieux n’a réussi à stopper la lave mais que le roi Kamehameha 1er aurait  réussi à arrêter les coulées en y jetant une mèche de ses cheveux.
En 1929, tous les indicateurs laissaient supposer qu’une éruption allait se produire. Pendant environ un mois à l’automne, plus de 6000 séismes ont été enregistrés, dont un événement M 6.5 le 25 septembre qui a causé des dégâts aux structures. On enregistrait entre 100 à 600 événements par période de 24 heures. La sismicité était si intense que beaucoup de gens ont abandonné leurs maisons et ont préféré camper. Cette augmentation de l’activité sismique a été plus tard accompagnée par d’autres signes annonciateurs d’une éruption comme des fractures dans le sol, des émissions de gaz et la présence de flammes, mais aucune lave incandescente n’est sortie du sol. Les scientifiques ont qualifié l’épisode de 1929 d’éruption avortée.

Depuis cette époque, l’activité du Hualalai est restée faible. Malgré tout, il arrive que des séisme secouent la région. Ainsi, en 2006, un séisme dont l’épicentre se situait au nord de la baie de Kiholo a, une fois encore, provoqué des dégâts. Mon amie qui habite sur le versant sud-ouest du Hualalai m’a montré des fissures provoquées par ce tremblement de terre dans sa maison. Comme chez beaucoup d’Hawaiiens, sa demeure n’est pas assurée contre les risques naturels car les sommes demandées par les compagnies sont trop élevées. Comme elle le dit : « Let’s cross our fingers ! » ; espérons qu’aucune catastrophe majeure ne se produira… !

La visite de la zone sommitale du volcan n’est pas chose aisée et je ne suis jamais parvenu à mes fins. Une grande partie des terres au sommet du Hualalai est protégée et gérée par deux entités: l’État d’Hawaï et les écoles Kamehameha. Il faut une autorisation spéciale pour visiter le lieu et – comme m’avait prévenu mon amie – il est difficile de l’obtenir. C’est dommage car les cratères sommitaux – le Luamakami et le Puhia Pele – comptent parmi les plus profonds de l’île. Le second a été exploré jusqu’à 263 mètres sous sa surface et le Luamakami est connu pour s’enfoncer encore plus profondément. La petite route qui conduit au sommet est très belle, avec beaucoup de fleurs et d’oiseaux, mais elle se termine en cul-de-sac et on vient buter devant une porte verrouillée. Impossible d’aller plus loin. En plus, il y a souvent du brouillard là-haut. Vous trouverez quelques photos ci-dessous.
Source: USGS / HVO.

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Hualalai is a shield volcano located on the Big Island of Hawaii. Its summit rises to 2523 metres above sea level. The volcano is the westernmost of the 5 major Big Island volcanoes. It has a well-developed northwest rift zone, a moderately well-developed south-Southeast rift zone, and a poorly developed north rift zone. The most recent eruption of 1800-1801 occurred along the northwest rift zone.

Today, a friend of mine is among the residents living on the flanks of Hualalai. For the moment, she can relax and sleep quietly in he house that overlooks the Pacific Ocean in the distance. Indeed, an eruption is not coming any time soon. Still considered an active volcano,  Hualalai is showing no signs of unrest. Indicators that an eruption would include increased seismic activity and ground deformation, indicators of movement of magma toward the surface

Scientists currently keep tabs full time on the volcano using seismometers and GPS instruments, and every other year, HVO staff conducts deformation surveys to assess any changes in the ground surface. This comes in addition to daily satellite imagery that can show visual or temperature changes or increased gas emissions.

Even though it is quiet today, one should not forget that Hualalai has erupted three times in the last 1,000 years, and came close to emitting lava during an episode of increased activity in 1929.

Lava last erupted from Hualalai in 1800-01, producing two main flows from the volcano’s northwest rift zone. Lava reached the ocean along the Kona Coast and one of the flows caused damage. One flow, the Kaupulehu flow, broke out at about 1,800 metres a.s.l. and flowed to the sea between Kona Village Resort and Kiholo Bay. The other, known as the Hue Hue flow, started around 150 metres a.s.l. (see map below) and destroyed several villages and created the flow field on which Kona International Airport is built. These flows can perfectly be seen today while driving on Highway 19 along the western coast of Hawaii Big Island. The total volume of erupted lava has been estimated at 300 million cubic metres. A legend says that no animal sacrifice nor offering to the gods managed to stop the lava but King Kamehameha 1st could stop the flow by throwing in it a lock of his hair.

In 1929, all indicators pointed to an eruption. For about a month in the autumn, more than 6,000 earthquakes were recorded, including an M 6.5 event on September 25th that caused damage to structures. Earthquake frequency ranged from 100 per day to as many as 600 in a 24-hour period. Seismicity was so intense that many people abandoned their homes in those areas and camped out. That increased seismic activity was later joined by more signs of eruption with ground cracks, gas coming out and flames but no red rock. Activity seemingly stopped there, and scientists term the 1929 episode a failed eruption.

Since that time, Hualalai’s activity has remained low. However, earthquakes sometimes shake the region. In 2006, an earthquake whose epicentre was located north of Kiholo Bay, once again caused even greater damage. My friend who lives on the southwestern slope of Hualalai showed me the cracks caused by the earthquake in her home. As with many Hawaiians, this home is not insured against natural hazards as the sums of money asked by the companies are too high. As she says: « Let’s cross our fingers and let’s no major catastrophe will happen …!”

Visiting the summit area of the volcano is quite difficult. Much of the land surrounding Hualalai’s summit is owned and managed largely as preserve land by two entities: the State of Hawaii and Kamehameha Schools. Permission must be granted to visit and is not easily obtained. It’s a shame because the summit craters – Luamakami and Puhia Pele – are among the deepest in the island. The latter was explored down to 263 metres below the surface and Luamakami is known to be even deeper.

The road that leads to the top is very nice, with many flowers and birds, but in the end you arrive in front of a locked gate and you can’t go any further. Besides, there is often fog up there. You will find a few photos here below.

Source: USGS / HVO.

Source: USGS / HVO

En orange et en rouge: coulées de 1800-1801 (Source: USGS / HVO)

Sur les pentes du Hualalai… (Photos: C. Grandpey)

 

Kick’em Jenny (Mer des Caraïbes): Ça se calme // Kick’em Jenny (Caribbean Sea): Seismic activity is declining

Selon le Centre de recherche sismique de l’Université des Indes occidentales, la sismicité a considérablement diminué ces derniers jours à Kick’em Jenny mais le niveau d’alerte est maintenu à la couleur Orange. En effet, l’histoire montre qu’une telle accalmie peut ne pas signifier la fin de l’épisode sismique. Il est demandé aux navires et autres embarcations de rester à l’écart de la zone d’exclusion de 5 km autour du volcan.
Au vu de la profondeur actuelle des secousses, une éruption de Kick ’em Jenny serait peu susceptible de provoquer un tsunami.
Source: Centre de recherche sismique de l’Université des Indes occidentales

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According to the University of the West Indies Seismic Research Center, seismicity has decreased significantly in the past days at Kick’em Jenny but the alert level is kept at Orange. Indeed, history shows that such a lull may not mean the end of the seismic episode. Ships are still asked to stay away from the 5-km exclusion zone around the volcano.

With regard to the current depth of the earthquakes, an eruption of Kick ’em Jenny is unlikely to cause a tsunami.

Source: University of the West Indies Seismic Research Center

La lune et le Ruapehu (Nouvelle Zélande) // The Moon and Mt Ruapehu (New Zealand)

Des scientifiques américains du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA ont établi un lien entre les cycles des marées et l’éruption soudaine du Ruapehu en 2007. Ils pensent même que cette corrélation apparente pourrait offrir une solution pour prévoir les futures éruptions. Cependant, des scientifiques néo-zélandais ont émis des doutes et critiquent la méthodologie utilisée pour cette étude qui a été publiée dans la revue Scientific Reports.
L’étude a montré comment, juste avant l’éruption soudaine du Ruapehu le 25 septembre 2007, l’activité sismique à proximité du cratère correspondait étroitement aux changements bimensuels de la force de la marée. En examinant les données couvrant une douzaine d’années, les chercheurs ont constaté que cette corrélation entre l’amplitude du signal sismique et les cycles des marées est apparue seulement dans les trois mois précédant l’éruption de 2007.
Les marées terrestres sont gérées quotidiennement par l’attraction lunaire. Au cours des pleines et nouvelles lunes, l’attraction lunaire s’aligne avec celle du soleil, ce qui rend l’amplitude des marées un peu plus importante. Au cours du premier et du dernier quartier, l’amplitude des marées est légèrement plus faible. Alors que les marées sont généralement considérées comme une montée et une baisse des eaux, les contraintes gravitationnelles peuvent également affecter la croûte de notre planète. Beaucoup de recherches ont été effectuées afin de savoir si la force de marée peut déclencher des éruptions volcaniques, mais aucune réponse vraiment fiable n’a été fournie.
Les chercheurs du JPL qui ont travaillé sur le Ruapehu ont adopté un angle d’approche différent et ont recherché s’il existait un signal détectable associé à la force des marées et qui pourrait être une indication de l’approche d’une éruption. Ils ont choisi d’étudier le Ruapehu, d’une part parce que son activité est étroitement surveillée depuis des années par GNS Science, et d’autre part  parce qu’ils étaient particulièrement intéressés par les données provenant des capteurs sismiques situés près du cratère.
L’équipe scientifique s’est penchée sur 12 années de données sismiques et a recherché les périodes où apparaissait une corrélation entre la sismicité et les cycles lunaires. Les chercheurs ont constaté que pendant la majeure partie de cette période de 12 ans, il n’existait pas de corrélation entre l’activité sismique et les cycles lunaires, à l’exception des trois mois qui ont précédé l’éruption phréatique de 2007. Tandis que les fluctuations de l’amplitude sismique étaient subtiles, la force de la corrélation avec le cycle des marées atteignait 5 sigma, ce qui signifie que la probabilité que ce modèle soit dû au hasard était d’environ un sur 3,5 millions. [NDLR : 5 sigma est une mesure de la confiance des scientifiques à l’égard de leurs résultats.]
Pour comprendre comment la force des marées a pu avoir une influence sur le comportement du Ruapehu pendant ces trois mois, les chercheurs ont utilisé un modèle de tremor sismique qu’ils avaient développé précédemment. Il montre que lorsque la pression de la poche de gaz sous le volcan atteint un niveau critique – niveau auquel une éruption phréatique devient possible – les différentes contraintes associées au changement de force des marées étaient suffisantes pour changer l’amplitude du tremor. Ils sont persuadés que ce fut le cas en 2007. Lorsque la pression dans le système est devenue critique, elle est devenue sensible aux marées. Les scientifiques ont pu montrer que le signal était détectable. Ils voudraient maintenant recueillir plus de données concernant d’autres éruptions sur d’autres volcans pour voir si le signal de marée est apparu ailleurs.
Comme je l’ai écrit plus haut, les scientifiques néo-zélandais ont exprimé des doutes sur les résultats de l’étude et ont regretté l’absence de nombreux paramètres sismiques. Un chercheur néo-zélandais a déclaré que « l’étude considère le mécanisme comme un piégeage des gaz provoqué par des changements dans la perméabilité des roches, mais n’aborde pas directement la résistance de ces roches […] Avec seulement deux événements abordés par l’étude – et l’un d’eux pas « prévu » par le modèle – je ne suis pas sûr qu’elle puisse avoir une valeur prédictive. »
Source: New Zealand Herald.

Cette étude m’intéresse car j’ai moi-même fait des observations sur la corrélation possible entre la pression atmosphérique et l’activité éruptive en milieu strombolien. Vous trouverez un résumé de cette étude dans la colonne de gauche de ce blog.

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US scientists at NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) have linked tidal cycles to Mt Ruapehu’s surprise eruption in 2007, and even suggest the apparent correlation could offer a new way to predict future eruptions. However, New Zealand scientists have cast doubt over that idea and questioned the methodology used for the study which was recently published in the journal Scientific Reports..

The study indicated how, just before Ruapehu’s surprise eruption on September 25th, 2007, seismic tremors near its crater became tightly correlated with twice-monthly changes in the strength of tidal forces. Looking at data for this volcano spanning about 12 years, the researchers found that this correlation between the amplitude of seismic tremor and tidal cycles developed only in the three months before this eruption.

Earth’s tides rise and fall daily due to the gravitational tug of the moon as the Earth rotates.

In full and new moons, the lunar gravitational pull lines up with that of the sun, which makes the daily tidal bulges a little larger during those moon phases. During the first and third-quarter moons, the daily tidal bulge is slightly smaller. While tides are generally thought of as rising and falling waters, gravitational stresses can also affect the planet’s solid crust. A lot of research has been focused on whether or not tidal forces can trigger eruptions, but there is no definitive evidence that they do.

The Mt Ruapehu researchers wanted to take a different angle with their study and look at whether there was some detectable signal associated with tidal forces that could tell us something about a volcano’s criticality. The researchers chose to study Ruapehu partly because its activity has been closely monitored for years by GNS Science, and were particularly interested in data from seismic sensors located near the crater.

The team worked through 12 years of seismic data, looking for any period when the seismicity was correlated with lunar cycles. They found that for most of that period, there was no correlation between tremor and lunar cycles, except the three months before 2007’s phreatic eruption. While the fluctuations in seismic amplitude were subtle, the strength of the correlation to the tidal cycle was as strong as 5 sigma, meaning that the probability that pattern arose by chance was about one in 3.5 million.

To understand how tidal forces may have been affecting Ruapehu during those three months, the researchers used a model of seismic tremor that they had developed previously. It suggested that when the pressure of the gas pocket beneath the volcano reaches a critical level — a level at which a phreatic eruption was possible — the differing stresses associated with changing tidal forces were enough to change the amplitude of tremor. They are persuaded it was what happened in 2007. When the pressure in the system became critical, it became sensitive to the tides. The scientists were able to show that the signal was detectable. They would like to collect more data from other eruptions and other volcanoes to see if the tidal signal showed up elsewhere.

As I put it above, New Zealand scientists expressed doubts about the results of the study and explained that many seismic parameters were missing. One NZ researcher said that « the paper considers the mechanism to be one of gas trapping driven by changes in rock permeability, but doesn’t directly address the strength of this rock […] With only two events addressed by the paper – and one of them not « predicted » by the model – I am not confident that it would have any predictive value. »

Source: New Zealand Herald.

I was interested in this study as I have myself made observations about the possible correlation between atmospheric pressure and Strombolian activity. You will find an abstract of this study in the left-hand column of this blog.

Photos: C. Grandpey