L’esprit d’innovation en volcanologie // Volcanology requires an innovative spirit

Tous les volcanologues savent qu’il faut être inventif lorsque l’on travaille sur le terrain. Je me souviens de l’ »autocuiseur » mis au point par le regretté François Le Guern pour prélever et analyser des gaz sur l’Etna. Personnellement, j’ai conçu une gaine de cuivre spéciale pour protéger la sonde de mon thermomètre lors des mesures de températures au milieu de gaz agressifs sur l’île de Vulcano en Sicile.
Un article écrit par des scientifiques de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) explique qu’ils continuent une longue tradition d’innovation – débutée avec la naissance du HVO en 1912 – en ce qui concerne les outils utilisés pour surveiller l’activité des volcans de l’archipel. Les géologues créent continuellement des équipements et des méthodes afin de s’adapter aux conditions changeantes et profiter des nouvelles technologies.
Par exemple, une innovation récente a été motivée par un tiltmètre défectueux logé à l’intérieur d’un trou de forage sur le flanc ouest du Mauna Loa. Le tiltmètre, qui a été installé il y a 17 ans, fonctionnait parfaitement jusqu’au jour où il a rendu l’âme. Il fait partie d’un réseau d’instruments logés en profondeur sur le Mauna Loa, avec des sismomètres, des tiltmètres et des jauges de contraintes. Ces instruments extrêmement sensibles sont logés dans des trous de forage de plus de 15 mètres de profondeur pour les protéger des effets de la température, des précipitations et des fluctuations de la pression atmosphérique susceptibles de causer des signaux parasites.
Le tiltmètre proprement dit est un tube en métal d’un mètre de long et 5 centimètres de diamètre qui contient des capteurs électrolytiques de précision capables de détecter les moindres variations d’inclinaison dans deux directions perpendiculaires. Il peut mesurer des inclinaisons inférieures à un microradian, ce qui est à peu près  la pente créée en mettant une pièce d’un centime d’euro sous l’extrémité d’une tige d’un kilomètre de long!
La difficulté consiste à faire descendre ce tube à une quinzaine de mètres dans un trou de 10 centimètres de diamètre avec un tas de câbles qui serpentent déjà à l’intérieur. Il faut positionner le tiltmètre de telle manière qu’il reste debout sans reposer sur aucun de ces câbles, ni sur les côtés du trou pendant que l’on verse du sable pour le maintenir en place. Qui plus est, il faut orienter le tiltmètre pour que ses capteurs soient alignés dans le sens nord-sud et est-ouest. Tout cela demande une bonne dose de technique !

Le HVO a trouvé une solution pour faciliter ce travail complexe. Il s’agit d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) qui a permis de concevoir une gaine qui entoure le tiltmètre tout en mettant à l’écart tous les câbles pendant que l’instrument est descendu dans le trou de forage. Cette gaine a été fabriquée à l’aide d’une imprimante 3-D qui a déposé, l’une après l’autre, plusieurs couches de thermoplastique pour réaliser un objet solide adapté à la tâche à effectuer.

Un autre appareil spécialement conçu, équipé d’une lumière et d’une caméra vidéo, maintient le tiltmètre et donne une vue en temps réel de la descente du tiltmètre à l’intérieur du trou de forage jusqu’à son positionnement final. L’installation a été couronnée de succès et le nouveau tiltmètre enregistre fidèlement les mouvements du sol sur le flanc ouest du Mauna Loa. Ces données sont envoyées au HVO via des liens radio afin que l’observatoire les reçoive en moins d’une minute. La finalité est que ce multimètre puisse alerter le plus tôt possible l’observatoire en cas d’ascension rapide du magma vers la surface, ce qui annoncerait une éruption imminente du Mauna Loa.
Source: USGS / HVO.

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All volcanologists know they have to be inventive when they are working on the field. I can remember the late François Le Guern “pressure cooker” to collect gases on Mt Etna. Personally, I devised a special copper sheath to protect the probe of my thermometer to measure temperatures on the island of Vulcano, amidst aggressive gases.

A weekly article written by scientists at the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explains that they have a long tradition of innovation when it comes to the tools that they use to monitor the status and activity of volcanoes. The tradition that started with HVO’s birth in 1912 continues to this day, with geologists continually adapting and creating equipment and methods in response to changing conditions and to take advantage of new technologies.

For example, a recent innovation was caused by a malfunctioning tiltmeter in a deep borehole on the west flank of Mauna Loa Volcano. The tiltmeter, which was originally installed 17 years ago, was fully operational before giving up. This instrument is part of a network of several deep sites on Mauna Loa that include seismometers, tiltmeters and strainmeters. These extremely sensitive instruments are housed in boreholes more than 15 metres deep to help isolate them from the effects of temperature, rainfall, and atmospheric pressure fluctuations, all of which can cause spurious signals.

The tiltmeter itself is a metal tube, one metre long and 5 centimetres in diameter, which contains precision electrolytic sensors that detect tiny tilt variations in two perpendicular directions. It can measure tilts smaller than one microradian, which is about the same as the slope created by putting a one-cent coin under one end of a board that is one kilometre long!

The difficulty lies with lowering that tube about 15 metres into a 10-centimetre diameter hole that also has a bunch of cables snaking up through it. You also have to position the tiltmeter so that it stays upright and does not rest on any of those cables or the sides of the hole while you pour sand to keep it in place. At that, you must orient the tiltmeter so that its sensors are aligned to north-south and east-west directions. This demands good engineering.

The solution HVO’s technical crew adopted was to use computer assisted drawing (CAD) software to design a specialized jig that sits around the tiltmeter and gently channels all the cables out of the way while the instrument is lowered into the borehole. The jig was manufactured using a 3-D printer, which put down layer after layer of thermoplastic to build a solid object with customized specifications.

Another specially built apparatus holds the jig, the tiltmeter, a light, and a video camera that provides a real-time view of the tiltmeter’s descent as it is lowered into the borehole and positioned at the bottom. The installation was successful, and the new tiltmeter is now faithfully recording ground tilt on the west flank of Mauna Loa. These data are sent back to HVO via radio links so that the observatory receives them in less than a minute. The finality is that this tiltmeter helps provide the earliest possible warning of rapid magma movement toward the surface, which would signal an impending Mauna Loa eruption.

Source: USGS / HVO.

Caldeira sommitale du Mauna Loa (Photo: C. Grandpey)

 

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Mesure de la déformation du sol sur le Mauna Loa et le Kilauea (Hawaii) // Measuring ground deformation on Mauna Loa and Kilauea (Hawaii)

La déformation du sol est l’un des paramètres qui permettent de mieux comprendre l’activité volcanique. Il est particulièrement révélateur des modifications de volume du magma à l’intérieur d’un volcan. Par exemple, à Hawaii, les épisodes d’inflation et de déflation du Kilauea coïncident généralement avec le comportement du lac de lave dans le cratère de l’Halema’uma’u. L’élévation de la surface du sol correspond à  une accumulation de magma dans les zones de stockage en profondeur tandis que l’affaissement peut indiquer la vidange d’une poche ou chambre magmatique. Les variations rapides de déformation précèdent ou accompagnent souvent une nouvelle activité éruptive.
Sur la Grande Ile d’Hawaii, on mesure la déformation principalement à l’aide de trois techniques: les tiltmètres, le GPS (Global Positioning System) et l’InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar).
– Une vingtaine de tiltmètres sont actuellement répartis sur les volcans Kilauea et Mauna Loa. Le HVO a mis en place des alarmes automatisées qui informent les scientifiques des variations inclinométriques en temps réel, celles susceptibles d’annoncer une éruption imminente.
– Environ 70 stations GPS sont réparties sur la Grande Île, mais elles se concentrent sur le Kilauea et le Mauna Loa, les deux volcans hawaïens les plus actifs. Ces stations GPS enregistrent continuellement le mouvement de la surface du sol en trois dimensions. Les positions quotidiennes moyennes et précises des sites GPS fournissent une bonne indication sur le long terme de la déformation au sol, et donc du comportement des réservoirs magmatiques.

– L’InSAR est une technique spatiale qui compare les données radar recueillies à partir de satellites à différents moments. Les variations de distance entre le satellite et le sol proviennent des déplacements de la surface entre les passages des satellites. Les données InSAR fournissent des « instantanés » exceptionnellement clairs et précis montrant la déformation du sol, mais seulement lorsque les satellites passent au-dessus de la zone concernée (en moyenne, environ une fois par semaine).
En utilisant cet ensemble de données, les scientifiques du HVO ont pu suivre les variations d’inflation du Kilauea et du Mauna Loa au cours des dernières années.
La chambre magmatique du Mauna Loa a commencé à se remplir – et donc à gonfler – immédiatement après le dernière éruption de 1984. L’inflation a ensuite montré des épisodes de hausse et de baisse au cours des 30 années suivantes. L’épisode d’inflation le plus récent et prolongé du Mauna Loa a commencé en 2014, accompagné d’un nombre conséquent de séismes superficiels.
Le Kilauea a également gonflé ces dernières années. Comme pour le Mauna Loa, l’inflation du Kilauea se produit principalement au niveau d’un système de stockage magmatique situé sous la caldeira sommitale et la partie supérieure de la zone de rift sud-ouest (SWRZ). Mais ce réservoir magmatique est plus circulaire et centré sous la partie sud de la caldeira du Kilauea. Comme je l’ai indiqué précédemment, de petits événements d’inflation et de déflation (DI events) sont enregistrés sur le Kilauea de manière assez fréquente ; ils viennent se superposer à l’inflation globale et entraînent des variations assez spectaculaires du niveau du lac de lave sommital, dans le cratère de l’Halema’uma’u.
Il convient de noter que le HVO a modifié son site Web pour que les visiteurs puissent suivre les variations sur les stations GPS et inclinométriques en quelques clics de souris.
https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/monitoring_deformation.html

Source: USGS / HVO.

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Ground deformation is one of the parameters that help better understand volcanic activity. It is especially indicative of changes in the volume of magma within a volcano For instance, at Hawaii, the inflation and deflation episodes of Kilauea Volcano usually coincide with the behaviour of the lava lake within Halema’uma’u Crater. Uplift of the ground surface suggests accumulation of magma in underground storage areas, while subsidence can indicate magma drainage. Rapid changes in the rate of deformation often precede or accompany new eruptive activity.

On Hawaii Big Island, deformation is measured primarily with three techniques: tiltmeters, GPS (Global Positioning System), and InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar).

– About 20 tiltmeters are currently installed on Kilauea and Mauna Loa volcanoes. The Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has implemented automated alarms that notify scientists of real-time changes in tilt that might reflect the impending onset of an eruption.

– About 70 GPS stations are spread across the Big Island, but are focused on Kilauea and Mauna Loa, currently the two most active Hawaiian volcanoes. These GPS stations continuously record motion of the ground surface in three dimensions. Precise, daily average positions of GPS sites provide an important long-term record of ground deformation that indicates the locations and conditions of magma reservoirs.

InSAR is a space-based technique that compares radar data collected from satellites at different times. Variations in the distance between the satellite and the ground are caused by surface displacements between the times of the satellite overpasses. InSAR data provide exceptionally clear “snapshots” of deformation, but only when satellites are overhead (on average, about once a week).

Using this combination of datasets, HVO scientists have tracked inflation of both Kilauea and Mauna Loa over the past several years.

Mauna Loa began refilling with magma – and inflating – immediately after the most recent eruption in 1984. Inflation then waxed and waned over the next 30 years. The most recent and ongoing episode of Mauna Loa inflation started in 2014, with significantly increased numbers of shallow earthquakes.

Kilauea has also been inflating in recent years. Similar to Mauna Loa, inflation of Kīlauea is mainly occurring in a magma storage system beneath the volcano’s summit caldera and upper Southwest Rift Zone. But this magma reservoir is more circular and centered beneath the south part of Kilauea’s caldera. As I put it above, small, deflation-inflation events in Kilauea tilt that occur over a few days to a week are superimposed on this overall inflation and result in rather dramatic fluctuations in the summit lava lake level.

It should be noted that HVO has modified its website sothat visitors can now track changes at any of HVO’s tilt and GPS stations on the island with a few mouse clicks.

https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/monitoring_deformation.html

Source: USGS / HVO.

Exemples de données consultables sur le site Web du HVO.

Kilauea (Hawaii / Etats Unis)

drapeau francais8h30: La situation n’a guère évolué au cours des dernières heures. Après avoir montré une nouvelle tendance à la hausse, la courbe du tiltmètre semble s’être stabilisée et aucun débordement du lac de lave n’a été observé. Toutefois, son niveau reste très haut, à quelques mètres seulement sous la lèvre du pit crater.

La lave continue à s’écouler en de nombreux points jusqu’à environ 8 km sur le versant NE du Pu’uO’o, comme on peut le voir sur la carte ci-dessous.

22 heures: Dans son dernier bulletin, le HVO signale que de nouveaux débordements du lac ont eu lieu au cours des dernières heures. En s’accumulant, la lave a rehaussé de plusieurs mètres le niveau de la lèvre du pit crater.

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drapeau anglais8:30: The situation has not much changed during the past hours. After a new increase, the tiltmeter curve seems to have stabilised and no new overflow of the lava lake has been observed. However, its level remains very high, barely a few metres below the pit crater’s rim.

Lava keeps flowing with multiple outbreaks as far as 8 km on the NE flank of Pu’uO’o, as can be seen on this map.

22:00: In its latest update, HVO indicates that new overflows occurred during the past hours. They have accumulated and built the rim of the pit crater up several metres

Kilauea 2 mai

La position des coulées n’a pratiquement pas évolué depuis la diffusion de cette carte  (Source: HVO)

Kilauea (Hawaii / Etats Unis): Activité en hausse / Increasing activity

drapeau francais   Si l’on observe le tiltmètre posté sur la lèvre NO de la caldeira du Kilauea, on remarque que le sommet traverse une phase régulière de gonflement depuis le 5 mai. Dans sa dernière mise à jour du 10 mai, le HVO indique que le volcan connaît une certaine hausse d’activité. Au sommet, l’épisode de gonflement entraîne une élévation du niveau de la lave dans le cratère de l’Halema’uma’u. Des essaims sismiques ont été enregistrés au sud de l’Halema’uma’u avec une tendance à se répandre à travers le versant sud. On observe également une hausse de la microsismicité sur l’Upper East Rift Zone.

Le tiltmètre installé sur le flanc nord du Pu’uO’o montre un faible gonflement du cône. Les capteurs GPS sur les flancs N et S révèlent une extension depuis la fin avril en parallèle avec une hausse de la sismicité.

La situation mérite donc d’être sérieusement contrôlée. Il semble bien que l’on assiste à une belle montée de magma comme le montrent les coulées issues du Pu’uO’o qui sont particulièrement actives en ce moment.

drapeau anglais   Looking at the electronic tilt on the northwest rim of Kilauea’s caldera, we notice that the summit has been steadily inflating since May 5th. In its latest update (May 10th), HVO indicates that “conditions of unrest have increased slightly: At the summit, there was general inflation with a rising lava lake, clusters of earthquakes south of Halema`uma`u that spread out across the south flank, and an increase in microseismicity in the Upper East Rift zone.

The tiltmeter on the north flank of Pu`u `O`o generally records weak inflation. GPS receivers on the north and south flanks of the cone have been recording extension since late-April along with increasing seismic tremor levels.

The situation should be closely controlled. There seems to be a strong lava ascent and the lava flows issued from Pu’uO’o are quite active at the moment.

Kilauea-blog

– En vert le tiltmètre du sommet du Kilauea

En bleu le tiltmètre du Pu’uO’o