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La technologie muonique pour étudier le Stromboli (Sicile) // Muon technology to study Stromboli (Sicily)

Dans des notes publiées en novembre 2015 et 2017, et en juillet 2016, j’ai attiré l’attention sur l’intérêt que représentait la technologie muonique dans le domaine volcanique. Déjà en 2007, les scientifiques japonais essayaient d’observer l’intérieur des volcans en utilisant cette nouvelle technologie basée sur l’utilisation de particules chargés positivement ou négativement, en provenance des couches supérieures de l’atmosphère

La technique de radiographie muonique est basée sur un principe similaire à celle utilisant les rayons X, mais elle présente l’avantage de pouvoir être utilisée pour étudier des objets beaucoup plus volumineux, tels que les pyramides ou les volcans.
La Protection Civile italienne nous apprend aujourd’hui que la radiographie muonique a été appliquée au Stromboli. C’est le fruit de la collaboration d’un groupe de chercheurs de l’Institut National de Physique Nucléaire (INFN) et de l’Institut National de Géophysique et de Volcanologie (INGV), sans oublier des instituts de recherche japonais. Les résultats de l’étude sur le Stromboli ont été publiés dans la revue Scientific Reports qui couvre toutes les sciences naturelles. Ils révèlent la présence d’une zone de faible densité dans la région sommitale du volcan. Cette zone correspond à une structure d’effondrement formée dans la zone des cratères lors de l’éruption effusive de 2007. Cette zone a ensuite été remplie de matériaux pyroclastiques produits par l’activité explosive strombolienne. Cette structure, qui a influencé le style éruptif du volcan après l’éruption de 2007, a une densité de plus de 30% inférieure à celle du reste du substrat rocheux.
Les muons produits par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère pénètrent dans la roche volcanique et peuvent la traverser de part et d’autre. Cependant, en fonction de la densité et de l’épaisseur de la roche, seule une partie est absorbée. Par le nombre de muons arrivant sur le détecteur, on peut comprendre la densité de la matière qu’ils ont traversée. Des radiographies périodiques du sommet du volcan peuvent être utilisées pour suivre l’évolution de sa structure interne. Le résultat obtenu servira à mieux comprendre les processus éruptifs stromboliens et la dynamique de la Sciara del Fuoco qui a été à plusieurs reprises affectée par des glissements de terrain générateurs de tsunamis.
Le détecteur de muons utilisé pour analyser le Stromboli est basé sur les technologies développées pour l’expérience OPERA ; elles ont étudié les propriétés du faisceau de neutrinos du CERN au Laboratoire national du Gran Sasso de l’INFN. Le premier défi auquel les scientifiques ont été confrontés a été la nécessité de concevoir un détecteur compact à haute résolution angulaire ne nécessitant pas d’alimentation électrique et pouvant être transporté sur les pentes d’un volcan tout en résistant aux éléments. Le détecteur est constitué de 320 films d’émulsions nucléaires, plaques photographiques spéciales qui permettent de « photographier » avec une grande précision le passage des particules qui les traversent. La surface du détecteur est d’environ un mètre carré. Le détecteur a été placé sur le site de Le Roccette, à une altitude de 640 mètres, et a recueilli les traces des muons qui ont traversé le volcan pendant environ 5 mois.

Source : Revue de la Protection Civile Italienne.

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 In several posts published in November 2015 and 2017, and in July 2016, I drew attention to the interest of the muon technology in the volcanic field. Already in 2007, Japanese scientists had tried to observe the interior of volcanoes using this new technology based on the use of positively or negatively charged particles from the upper layers of the atmosphere
The muon radiography technique is based on a principle similar to that using X-rays, but it can also be used to study much larger objects, such as pyramids or volcanoes.
The Italian Civil Protection informs us today that muon radiography has been applied to Stromboli. This is the result of the collaboration of a group of researchers from the National Institute of Nuclear Physics (INFN) and the National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV), not to mention Japanese research institutes. The results of the study on Stromboli were published in the journal Scientific Reports which covers all natural sciences. They reveal the presence of a low density area in the summit area of the volcano. This zone corresponds to a collapse structure formed in the crater zone during the effusive eruption of 2007. This area was then filled with pyroclastic materials produced by strombolian explosive activity. This structure, which influenced the eruptive style of the volcano after the eruption of 2007, has a density more than 30% lower than the rest of the bedrock.
The muons produced by the interaction of cosmic rays with the atmosphere penetrate the volcanic rock and can cross it on both sides. However, depending on the density and thickness of the rock, only a part is absorbed. By the number of muons arriving on the detector, one can understand the density of the material which they crossed. Periodic radiographs of the summit of the volcano can be used to follow the evolution of its internal structure. The result will be used to better understand Strombolian eruptive processes and the dynamics of the Sciara del Fuoco which has been repeatedly affected by tsunami-generating landslides.
The muon detector used to analyze Stromboli is based on the technologies developed for the OPERA experiment; they studied the properties of the CERN neutrino beam at the INFN’s Gran Sasso National Laboratory. The first challenge that scientists had to face was the need to design a compact, high-resolution angular detector that does not require power and can be transported on the slopes of a volcano while resisting the elements. The detector consists of 320 films of nuclear emulsions, special photographic plates that allow to « photograph » with a great precision the passage of the particles which cross them. The surface of the detector is about one square metre. The detector was placed on the site of Le Roccette, at an altitude of 640 metres; it collected traces of muons that crossed the volcano for about 5 months.
Source: Journal of Italian Civil Protection.

Photo: C. Grandpey

Le Stromboli vu par les muons (Source: Protection Civile / INFN)

Nouvelle éruption du Sinabung (Indonésie) // Mt Sinabung (Indonesia) erupts again

L’activité du Sinabung (Indonésie) s’est de nouveau intensifiée avec une éruption modérée survenue le 7 mai 2019 à 19h48 (heure locale). L’événement a duré 42 minutes et 49 secondes. Des retombées de cendres ont été signalées dans plusieurs villages autour du volcan. Le VAAC de Darwin indique que l’éruption a produit une colonne de cendres jusqu’à 4,6 km d’altitude, soit 2 km au-dessus du cratère.
Le niveau d’alerte est à 4 (AWAS), le maximum, depuis le 2 juin 2015. Il existe une zone d’exclusion générale de 3 km, avec des extensions de 7 km dans le secteur ESS, 6 km dans le secteur ESE et 4 km dans le secteur NNE. Il est demandé aux personnes vivant le long des rivières de se méfier des lahars, en particulier lors de fortes pluies.

La dernière éruption du Sinabung a eu lieu en 2018 avec des panaches de cendres qui sont montés jusqu’à 3,7 km d’altitude.

Source: BNPB.

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Sinabung (Indonesia) has become quite active again with a moderate eruption that occurred at 19:48 (local time) on May 7th, 2019. The event lasted 42 minutes and 49 seconds. Ashfall was reported in several villages around the volcano.

The Darwin VAAC indicates that the eruption produced an ash column up to 4.6 km a.s.l., or 2 km above the crater.

The alert level has been at 4 (AWAS), the maximum, since June 2nd, 2015. There is a general exclusion zone of 3 km, with extensions of 7 km on the SSE sector, 6 km on the ESE sector, and 4 km on the NNE sector. People living along rivers are asked to be alert for potential lahars, especially during heavy rains.

Sinabung’s last eruption took place in 2018 with ash plumes up to 3.7 km a.s.l..

Source: BNPB.

Séquence éruptive sur le Sinabung (Source: CVGHM)

Une nouvelle approche des nuages de cendre volcanique // New approach of volcanic ash clouds

Tout le monde se souvient de l’éruption de l’Eyjafjallajökull, le volcan islandais au nom imprononçable qui a paralysé le trafic aérien en 2010 suite à une éruption riche en cendre. Les compagnies aériennes européennes n’ont pas voulu prendre le moindre risque et les avions sont restés cloués au sol. Il n’était pas question de mettre en péril les milliers de passagers qui sillonnent quotidiennement l’espace aérien. Les autorités avaient en tête des incidents survenus pendant l’éruption du Galunggung (Indonésie) en 1982 et celle du Redoubt (Alaska) en 1989 pendant lesquels des réacteurs étaient tombés en panne a cause de la cendre volcanique. Sans le sang-froid des pilotes, des catastrophes se seraient produites.

Depuis 2010, aucun progrès n’a été fait en aéronautique pour éviter une nouvelle paralysie du trafic aérien lors d’une prochaine éruption. J’ai toujours affirmé haut et fort (voir ma note du 23 mars 2018) que l’on se retrouverait dans la situation de l’Eyfjallajökull à la première occasion.

Une équipe internationale menée par le Laboratoire Magmas et Volcans (LMV) de Clermont-Ferrand, et incluant le Laboratoire de Mathématiques Blaise Pascal de l’Université Clermont Auvergne et Météo France (VAAC-Toulouse), a démontré que les éruptions les plus intenses sont les moins efficaces à transporter les cendres dans l’atmosphère. Cela implique que leur concentration dans les nuages volcaniques peut être jusqu’à 50 fois inférieure aux prévisions actuelles.

Les nuages de cendres volcaniques sont composés principalement de fines particules (<100µm) qui peuvent être transportées dans l’atmosphère sur plusieurs milliers de kilomètres. Comme on vient de le voir avec l’aéronautique, ces nuages peuvent avoir des conséquences socio-économiques importantes mais représentent aussi une menace pour les populations vivant à proximité du volcan (effondrement des toitures, pollution des réseaux d’eau et d’assainissement, inhalation des particules fines). Compte tenu de l’accroissement conjoint de la population mondiale et du trafic aérien, mieux comprendre le comportement de ces nuages de cendres est désormais un enjeu majeur de la volcanologie moderne.

Pourtant, les processus de sédimentation (autrement dit la retombée des cendres) et de transport qui contrôlent la proportion de cendres fines dans ces nuages sont encore très mal compris. Jusqu’à présent, on estimait au sein de la communauté scientifique que la proportion de cendres fines dans ces nuages représentait environ 5% de la quantité totale de téphras et ne variait pas d’une éruption à l’autre. En conséquence, au cours des deux dernières décennies, les Volcanic Ash Advisory Centers (VAAC) qui contrôlent la dispersion des cendres volcaniques dans l’atmosphère ont utilisé cette valeur par défaut pour prévoir la concentration des nuages de cendre lors des crises volcaniques.

Les scientifiques clermontois ont montré, à partir d’une étude inédite combinant données de terrain et satellitaires, que la proportion de cendres fines injectée dans l’atmosphère est en fait extrêmement variable et comprise entre 0.1% et 6.9%. Cette variation n’est pas aléatoire ; elle est inversement proportionnelle au flux de masse de téphras éjectée au niveau de la bouche éruptive. En effet, il s’avère que les éruptions les plus intenses (comme les éruptions pliniennes) sont en fait les moins efficaces – avec une proportion de cendres fines de 0,1% – à transporter des dernières dans l’atmosphère. Ce résultat s’explique par l’existence d’une sédimentation dite « collective » des particules dans les nuages riches en cendres, ce qui a pour effet d’accélérer la chute des cendres fines, diminuant ainsi la charge en cendre résiduelle au sein du nuage.

Cela signifie que la quantité de cendres fines transportées dans l’atmosphère peut être jusqu’à 50 fois inférieure aux prévisions actuelles. Cela a, bien sûr, des conséquences majeures pour les décideurs en charge de la sécurité du trafic aérien. Au sol en revanche, les retombées et dépôts de cendres fines peuvent être beaucoup plus importantes que ce que prédisent actuellement les modèles. Cela peut avoir des conséquences considérables dans l’évaluation des risques associés aux populations vivant à proximités des zones volcaniques.

Source: Gouhier, M., Eychenne, J., Azzaoui, N., Guillin, A., Deslandes, M., Poret, M., Costa, A., Husson, P., (2019). Low efficiency of large volcanic eruptions in transporting very fine ash into the atmosphere. Scientific Reports, doi: 10.1038/s41598-019-38595-7

La dernière étude du LMV permettra-t-elle d’éviter une nouvelle pagaille dans le ciel lors de la prochaine éruption d’un volcan émettant de volumineux panaches de cendre ? Les compagnies aériennes feront-elles confiance aux scientifiques ? Pas si sûr !

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Everyone remembers the eruption of Eyjafjallajökull, the Icelandic volcano with anunpronounceable name that paralyzed air traffic in 2010, following an ash-rich eruption. European airlines did not want to take the slightest risk and planes remained grounded. There was no question of endangering the thousands of passengers who ply the airspace daily. The authorities had in mind incidents during the eruption of Galunggung (Indonesia) in 1982 and Redoubt (Alaska) in 1989 when reactors stopped due to volcanic ash. Without the competence of the pilots, disasters would have occurred.
Since 2010, no progress has been made in aeronautics to avoid a new paralysis of air traffic during a next eruption. I have always stated loud and clear (see my note of 23 March 2018) that we would end up in the situation of Eyfjallajökull.
An international team led by the Laboratory Magmas and Volcanoes (LMV) of Clermont-Ferrand, and including the Laboratory of Mathematics Blaise Pascal of Clermont Auvergne University and Météo France (VAAC-Toulouse), has demonstrated that the most intense eruptions are the least efficient at transporting ash into the atmosphere. This implies that their concentration in volcanic clouds can be up to 50 times lower than current predictions.
Volcanic ash clouds are mainly composed of fine particles (<100μm) that can be transported into the atmosphere over several thousand kilometres. As we have just seen with aeronautics, these clouds can have important socio-economic consequences but also represent a threat for the populations living near the volcano (collapse of the roofs, pollution of the networks of water and sanitation, inhalation of fine particles). Given the joint growth of the world population and air traffic, a better understanding of the behaviour of these ash clouds is now a major issue of modern volcanology.
However, the processes of sedimentation (in other words the ashfall) and of transport that control the proportion of fine ash in these clouds are still very poorly understood. Until now, it has been estimated in the scientific community that the proportion of fine ash in these clouds is about 5% of the total amount of tephras and does not vary from one eruption to another. As a result, over the past two decades, the Volcanic Ash Advisory Centers (VAACs) that control the dispersion of volcanic ash into the atmosphere have used this default value to predict the concentration of ash clouds during volcanic crises.
The scientists at Clermont have shown from a groundbreaking study combining field and satellite data that the proportion of fine ash injected into the atmosphere is in fact extremely variable, between 0.1% and 6.9%. This variation is not random; it is inversely proportional to the mass flow of tephras ejected at the eruptive vent. Indeed, it turns out that the most intense eruptions (such as Plinian eruptions) are in fact the least effective, with a proportion of fine ash of 0.1%, to carry it in the atmosphere. This result is explained by the existence of so-called « collective » sedimentation of the particles in the ash-rich clouds, which has the effect of accelerating the fall of the fine ash, thus reducing the residual ash load within the cloud.
This means that the amount of fine ash transported into the atmosphere can be up to 50 times lower than current predictions. This, of course, has major consequences for the decision-makers in charge of air traffic safety. On the ground, on the other hand, ashfall and fine ash deposits can be much larger than the models currently predict. This can have considerable consequences in assessing the risks associated with populations living near volcanic areas.

Source: Gouhier, M., Eychenne, J., Azzaoui, N., Guillin, A., Deslandes, M., Poret, M., Costa, A., Husson, P., (2019). Low efficiency of large volcanic eruptions in transporting very fine ash into the atmosphere. Scientific Reports, doi: 10.1038/s41598-019-38595-7

Will the latest LMV study prevent a new mess in the sky during the next eruption of a volcano emitting voluminous ash plumes? Will airlines trust scientists? Not so sure !

Schéma illustrant les mécanismes de sédimentation et de transport des cendres volcaniques pour différents styles éruptifs. (Source : Mathieu Gouhier / LMV)

Panache de cendre émis par le Semeru (Indonésie) [Photo: C. Grandpey]

Photo LMV

L’éruption du Kilauea (Hawaii) en 2018… // The 2018 Kilauea eruption…

Le 3 mai 2019 marquait le premier anniversaire du début de l’éruption du Kilauea en 2018 dans la Lower East Rift Zone (LERZ) de la Grande Ile d’Hawaii. Au cours de l’année écoulée, les volcanologues du HVO ont analysé les très nombreuses données rassemblées pendant l’éruption et ils ont tiré quelques conclusions intéressantes. Le HVO indique que l’éruption dans la LERZ et l’effondrement sommital du volcan fournissent de nombreuses informations sur le comportement du Kilauea.
En premier lieu, l’éruption a montré dans quelle mesure la modification de la composition chimique de la lave a influé sur le risque posé par les coulées. Pendant les deux premières semaines (entre le 3 et le 18 mai), l’éruption est restée relativement modérée, avec des débits de lave relativement faibles. Les analyses chimiques ont indiqué que cette lave provenait de poches de magma plus ancien stockées sous la LERZ. Ce magma plus froid et moins fluide était probablement le reliquat d’éruptions antérieures. Les scientifiques pensent que ce magma a probablement été ‘chassé’ par la lave en provenance du Pu’uO’o. Les analyses chimiques indiquent que cette lave, sur son trajet, est probablement entrée en contact avec deux, voire trois, anciennes poches de magma.
Vers le 18 ou le 19 mai, l’éruption s’est modifiée, avec l’arrivée d’une lave plus chaude et plus fluide. Elle provenait probablement de la vidange du réservoir sommital. Le débit éruptif est devenu de 10 à 20 fois plus important, de même que les coulées de lave qui sont devenues plus rapides et, de ce fait, beaucoup plus menaçantes pour les zones habitées.
Une semblable modification chimique de la lave avait déjà été observée lors de l’éruption de 1955 dans la LERZ, mais one ne s’en est rendu compte que longtemps après la fin de cette éruption. Le suivi quotidien de la composition de la lave pendant l’éruption de 2018 était donc important. Il a permis d’identifier son évolution chimique au début du mois de mai et d’anticiper l’arrivée d’un magma plus chaud et plus fluide, avec des coulées de lave plus dangereuses dans la LERZ. .
Si l’on observe l’évolution des éruptions de 2018 et de 1955, on peut raisonnablement penser que les éruptions futures dans la zone de rift commenceront avec un débit relativement faible impliquant un magma ancien les premiers jours. Avec l’arrivée d’un magma plus jeune et plus chaud, elles donneront ensuite naissance à de grandes coulées de lave rapides et dangereuses pour les habitations.
La composition de la lave a permis d’expliquer un autre aspect de l’éruption de 2018. À la mi-mai, de brèves explosions se produisaient fréquemment au niveau de la Fracture n° 17, avec des projections de bombes à plusieurs centaines de mètres. Au début, les volcanologues ont pensé que ces explosions étaient provoquées par des infiltrations d’eaux souterraines dans les fractures, ce qui provoquait des explosions phréatiques. Cependant, des analyses chimiques ont révélé que la Fracture n° 17 émettait une lave qui avait une composition inhabituelle. La quasi-totalité de la lave émise par le Kilauea est du basalte, tandis que la Fracture n° 17 émettait de l’andésite, ce que l’on n’avait encore jamais observé dans ce secteur du volcan. L’andésite est plus riche en silice que le basalte et est donc moins fluide. La consistance plus visqueuse de la lave andésitique facilite la coalescence et l’éclatement de grosses bulles de gaz sous haute pression ; c’est probablement ce qui explique l’activité explosive sur la Fracture n° 17.
L’éruption a également mis en évidence le lien étroit qui unit l’East Rift Zone du Kilauea et le réservoir magmatique au sommet du volcan. En juin et juillet 2018, on a observé des effondrements quasi quotidiens au sommet du Kilauea, accompagnés de séismes atteignant parfois la magnitude M 5,3. Les caméras qui surveillaient le chenal de lave au départ de la Fracture n° 8 ont observé que le débit de la lave a commencé à augmenter quelques minutes après l’effondrement sommital pour atteindre son maximum entre 2 et 4 heures plus tard. Au moins une fois, l’augmentation du débit d’écoulement de la lave a provoqué des débordements du chenal, avec une menace potentielle pour les zones habitées à proximité.
Ces événements ont démontré que l’augmentation du débit éruptif était dû à une augmentation brutale de pression provoquée par l’effondrement sommital et qui s’est propagée le long du conduit magmatique de 40 km de long en direction de la LERZ, un peu comme le ferait une presse hydraulique. Le délai de 2 à 4 heures avant que le débit de la lave atteigne son apogée a permis au HVO et à la Sécurité Civile, dans au moins un cas, de prévoir et de se préparer au risque de débordement de la lave.
Ces informations obtenues pendant l’éruption du Kilauea en 2018 permettront au HVO de mieux comprendre le processus volcanique, mais aussi de mieux prévoir et se préparer aux menaces induites par les prochaines éruptions.
Source: USGS / HVO.

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May 3rd, 2019, marked the one-year anniversary of the start of Kilauea’s 2018 Lower East Rift Zone (LERZ) eruption. Over the past year, HVO geologists have been closely studying the vast amount of data collected during the eruption and they drew a few interesting conclusions. HVO indicates that the Lower East Rift Zone eruption, as well as the 2018 summit collapses, are providing many new insights on Kilauea.

First, the eruption showed how the changing chemical composition of the magma erupted in 2018 controlled the lava-flow hazard. The first two weeks of the eruption (between May 3rd and 18th) produced low eruption rates and relatively small flows. Chemical analyses indicated that the lava originated from pockets of older magma stored underground in the LERZ. This cooler and less fluid magma was probably residue from earlier eruptions. It is thought that this stored magma was presumably forced out by the intruding dike of magma that originated from Pu’uO’o. The chemical analyses indicate that the dike may have intersected two, or even three, separate stored magma bodies.

Around May 18th -19th, the eruption became different as hotter and more fluid magma was erupted. This magma was presumably draining from the summit magma reservoir. The eruption rate increased roughly 10-20 times, and the flows became larger, faster-moving, and much more dangerous.

A similar chemical change in the lava had occurred during the 1955 LERZ eruption, but it was not recognized until long after that eruption ended. Daily tracking of lava composition during the 2018 eruption was important because it allowed to identify the chemical change in early May, and to correctly anticipate that hotter, more fluid magma – leading to more dangerous lava flows – might arrive in the LERZ. .

Taken together, the 2018 and 1955 eruptions point to the possibility that future rift zone eruptions can start in a small way in the opening days as older magma is erupted. But once fresher, hotter magma arrives, rift zone eruptions can switch to large, fast-moving, and dangerous lava flows.

Magma composition also helped explain another hazard of the 2018 eruption. In mid-May, brief explosions occurred frequently from Fissure 17, throwing lava bombs several hundred metres. An initial explanation was that they were driven by groundwater seeping into the fissures, causing steam blasts. However, chemical analyses revealed that Fissure 17 erupted lava with an unusual composition. Nearly all lava erupted on Kilauea is basalt, but Fissure 17 erupted Kilauea’s first documented andesite. Andesite is higher in silica than basalt, and is, therefore, less fluid. The more viscous consistency of andesitic lava makes it easier for large gas bubbles to coalesce and burst with high pressure, which provides a likely explanation for the explosive activity at Fissure 17.

The eruption also highlighted the close connection between Kilauea’s East Rift Zone and the volcano’s summit magma reservoir. In June and July 2018, there were near-daily summit collapse events, each with the equivalent of an M 5.3 earthquake. Time-lapse cameras monitoring the Fissure 8 lava channel observed that the eruption rate began to increase within minutes after a summit collapse, eventually peaking 2 to 4 hours later. At least once, the increased eruption rates produced overflows from the lava channel that could have threatened adjacent residential areas.

This showed that the increase in the eruption rates was driven by a pressure pulse originating from the summit collapse and transmitted down the 40-km-long magma conduit to the lower East Rift Zone, just like a hydraulic press. The 2 to 4-hour delay in peak eruption rates allowed HVO and emergency managers, in at least one instance, to anticipate and prepare for the overflow hazard.

The new insights gained from Kilauea’s 2018 eruption will help HVO better understand the volcanic process, and, in turn, forecast and prepare for the dangers in future eruptions.

Source: USGS / HVO.

La Fracture n°8 et ses impressionnantes coulées de lave a dominé l’éruption du Kikauea dans la Lower East Rift Zone (Crédit photo: USGS / HVO)