Observatoires volcanologiques Des Observatoires aux satellites

Observatoires volcanologiques

Des Observatoires aux satellites28 Novembre 2007

Sommaire

1: Volcans actifs dans le monde2: Les aléas volcaniques

3: Surveillance volcanologique4: L’apport des satellites

Volcans actifs dans le monde

Principalement situés le long de frontières de plaques Aussi des volcans à l’intérieur des plaques (volcans de points chauds) Beaucoup de volcans sous-marins

Volcans actifs ~1500 volcans potentiellement actifs sur Terre ~ en moyenne 70 actifs à un moment donné ~ 10% de la population terrestre directement exposée au risque volcanique Nombreuses grandes villes près d’un volcan actif ou endormi

Myake-Jima, Japon, 2000

Auckland, Nouvelle ZélandeGuagua Pichincha, Equateur, 2001

2: Les aléas volcaniques

• Aléa direct: mouvement de matière– Depuis l’intérieur du volcan

• Coulées de lave• Coulées pyroclastiques• Dépôts de cendres• Gaz volcaniques

– Depuis la surface du volcan• Lahars, coulées de boues

– Déstabilisation de flanc

• Induits par l’activité volcanique ou associés à celle-ci– Tsunami– Séismes

Coulées de lave

Grande éruption de 1669 à l’Etna

En général la vitesse des coulées de lave est suffisamment lente (m/s à m/j) pour ne pas créer de risque pour la population (exception: Nyiragongo 1977) Mais les coulées de lave produisent des dommages irréversibles au sol En présence de neige ou de glace, les coulées de lave peuvent déclencher des coulées de boue Typiquement le volume de coulées de lave peut aller de 0.01 km3 à 10km3 (Lanzarote 1730, Laki 1785)

L’extension d’une coulée de lave dépend de :La penteLe taux d’effusionLa durée de l’éruption

Dômes de lave Au sommet de volcans explosifs, l’activité éruptive est souvent précédée de la croissance d’un dôme de lave Le dôme de lave est instable et son taux de croissance peut atteindre 1m par jour L’augmentation de la pression de gaz dans le dôme de lave provoque les éruptions, celles-ci s’amplifient au cours de la décompression du dôme

Mont St Helens Montserrat, 1996

Coulées pyroclastiques Les coulées pyroclastiques sont un mélange de gaz chaud et de blocs de lave. Elles se produisent lors d’effondrement de dômes de lave ou lors de grandes explosions de volcans Elles peuvent être très rapides (>400km/h) Autour d’un volcan explosif, il est crucial d’identifier les zones exposées à ce type d’aléa

Merapi, 1995 Montserrat, 2000

Effets d’une coulée pyroclastique

Montagne PeléeSoufriere Hills Montserrat, 2000 et la ville de Plymouth

Dépôts de cendres

Dépôts de cendres et toits de maisons effondrés durant l’éruption de 1992 au volcan Pinatubo, Philippines

Coulées de boue

Armero (Colombie) détruite par une coulée de boue provoquée par la fonte d’un glacier qu volcan Nevado del Ruiz

Près du Pinatubo, Philippines, 1991

Effondrement de flanc

Il peut arriver que tout un flanc de volcan devienne instable Lors d’une telle instabilité, la dépressurisation de l’intérieur du volcan peut s’accompagner d’une explosivité extrême (Mont St Helens, 1980) Le volume déplacé peut être de plusieurs dizaines de km3 La connaissance actuelle de ce type d’aléa et des conditions de déclenchement de telles instabilités est limitée par la rareté de tels événements

Tsunami induits par l’activité volcanique

En rouge, les régions affectées par le tsunami provoqué par l’éruption de 1883 du Krakatau, détroit de la Sonde, Indonésie

Activité hydrothermale, émission de gaz

Lac Nyos, Cameroun Soufrière de Guadeloupe, 2000

Panache volcanique

Les volcans injectent divers gaz dans la troposphère, en particulier H2O, CO2, SO2, H2, CO et en moindre quantité H2S, HCl, HF, He, …Ces gaz peuvent être responsables de pluies acides, de pollution d’aquifères, … Plus globalement, les panaches volcaniques peuvent avoir un impact sur le climat Certaines éruptions sont connues pour avoir été suivies pendant quelques années de climat froid (Krakatau, 1883)

Sakurajima, 2000

3: Surveillance volcanologique- Sismicité

- Déformations

- Emissions de gaz (du sol, fumeroles, panache)

- Changements thermiques

- Changements du système hydrothermal

- Lors d’éruptions: composition géochimique de produits émis

De quels moyens dispose-t-on pour prévenir

les risques volcaniques?

L’histoire:

l’histoire éruptive du volcan,

les différents types d’éruptions,

leur fréquence,

l’extension maximale des produits émis pour chaque éruption

La dynamique actuelle

Montagne Pelée

Histoire et évaluation de l’aléaEtablissement de cartes géologiques et de cartes d’aléas volcaniques

Carte d’aléas volcaniques à la Soufrière de Guadeloupe (BRGM, CNRS, DRM, IPGP)

Cartes d’aléa et de vulnérabilité

Carte d’aléa et vulnérabilité à la Montagne Pelée

Les observatoires volcanologiques

Montagne Pelée

Soufrière de Guadeloupe

Sur plusieurs volcans actifs, les autorités et les centres de recherche ont mis en place des Observatoires Volcanologiques qui ont les responsabilités suivantes: En période calme, enregistrement de divers paramètres géophysiques et géochimiques Identification de signes de réveil d’activité (sur la base de seuils prédéfinis, souvent empiriquement) Suivi des crises et le déploiement rapide de moyens complémentaires lors de celles-ci

Observatoire volcanologique de Guadeloupe, 2006

Observatoire volcanologique du Vésuve, 1900Observatoire volcanologique du Piton de la Fournaise, 2002

Capteurs

Extensomètre

GPS

InclinomètreSismomètre

Surveillance sismique

Activité faible Crise sismique Début d’une éruption

Diverses stations sismologiques enregistrent les séismes et les trémors volcaniques Les séismes enregistrés en un nombre suffisant de stations sont localisés

GPS permanent

Déformations mesurées par GPS lors de l’éruption du 15 Novembre 2002 au Piton de la Fournaise

Mesure automatique de distances

TM3000 Partage 1995-1999

0

50

100

150

200

250

300

350

400

01-janv-95 01-janv-96 31-déc-96 31-déc-97 31-déc-98 31-déc-99

Mil

lim

etre

s

2C61

2M26

1D10

2M54

1D20

1M40

2M31

2M42

2M52

Distancemètre enregistrant, toutes les 30mn, les distances de ~10 réflecteurs distribués sur le flanc du Piton de la Fournaise, île de la Réunion

Imagerie radar sol-sol

Surveillance « tous temps » au volcan Montserrat à l’aide d’un radar sol-sol (Wadge, 2004)

Images produites par le radar

Radar doppler

Voldorad (Volcano Doppler Radar) développé à l’Observatoire de Clermont-Ferrand

Les radar doppler mesurent la vitesse des blocs éjectés par un volcan

Mesure de gaz

Etna, 2005

Poas, 1985

Stromboli, 1985

SOF measurements traversing the plume of Etna, Oct 7, 15:05

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

-9000 -7000 -5000 -3000 -1000 1000Across plume @ 3000 m altitude (S- N direction) m

Col

umns

of

SO

2 a

nd H

Cl (*

5)

mg/

m2

0

2

4

6

8

10

12

14

HF c

olum

n m

g/m

2

HCL*5 mg/ m2SO2 mg/ m2HF mg/ m2

Vitesse estimée d'écoulementStromboli 1985-1986

y = 0,438x + 0,015

R2 = 0,9987

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Temps [s]

Dis

tan

ce P

arc

ou

rue

[m

]

Mesure de température de lave et de vitesse de coulée

Vitesse de coulée

Evolution TempératureStromboli 1985-1986

y = -81,515Ln(x) + 1273,3

R2 = 0,81

y = -0,0594x2 - 6,4469x + 1200

R2 = 0,985

y = -0,0111x3 + 0,5176x2 - 14,326x + 1222,1

R2 = 0,9947

750,00

800,00

850,00

900,00

950,00

1000,00

1050,00

1100,00

1150,00

1200,00

1250,00

1300,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

Distance à la Source [m]

Te

mp

éra

ture

[°C

]

Distance au point de sortie de lave (m)

Dis

tanc

e au

poi

nt d

’ém

issi

on (

m)

Temps (s)

Tem

péra

ture

est

imée

(°C

)

Donnée

Stromboli, 1986

Temperature

Analyse géochimique de gaz et sublimés

Piton de la Fournaise

Vulcano

4. Contribution des satellites à l’évaluation des risques volcaniques

1: Télédétection des panaches volcaniques

2: Observations d’anomalies thermiques

3: Topographie et changements de l’état de surface

4: Mesure de déformations du sol

5: Lacunes actuelles et évolutions possibles

1: Télédétection des panaches volcaniques

• Importance:– Sécurité du trafic aérien– Contribution à la surveillance de l’activité volcanique– Impact des larges éruptions sur le climat

• Résolution spatiale requise : >1km• Résolution temporelle requise: temps réel – quelques

jours• Information obtenue:

– Dispersion des panaches (dépend du vent)– Hauteur des panaches– SO2 (seulement pour les panaches atteignant la stratosphère)– Température des panaches

Impact du volcanisme sur le climat Les éruptions de El Chicho (Mexico, 1982) et Pinatubo (Philippines,

1992) sont celles qui ont eu le plus fort impact sur le climat au cours des 30 dernières années. Toutes deux ont été observées précisément à l’aide de spectromètres d’ozone embarqués sur des satellites

El Chichon, 1982 Pinatubo, 1992

Suivi des panaches éruptifs

Panache de l’Etna vu par l’instrument GOME (image composite de 3 jours d’observations (22-24 Juillet 2001). Document DLR.

Même de petites éruptions peuvent injecter des quantités détectables de SO2 dans la stratosphère

Surveillance des panaches volcaniquesDivers satellites contribuent à cette surveillance• Satellites géostationnaires météorologiques

– NOAA-GOES

– METEOSAT

Image ASTER du volcan Merapi, Indonésie, Juin 2006

• Divers satellites à orbite basse– TERRA, AQUA,

ASTER, SPOT, LANDSAT, …

MODIS: le “Rapid Response System”

• Mis en oeuvre par la NASA, ce système utilise l’instrument MODIS sur les satellites TERRA et AQUA (http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/).

• L’Etna fait partie des zones surveillées systématiquement (http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/subsets/?AERONET_ETNA)

Surveillance de routine des panaches ?

• La couverture nuageuse limite considérablement l’efficacité des outils de surveillance volcanique dans les canaux visibles et infrarouge

• Divers satellites sont en mesure d’apporter des données, mais pas nécessairement de manière systématique

• La détection précoce des panaches volcaniques constitue un enjeu important, en particulier pour la sécurité du trafic aérien

100000 avions circulent chaque année dans la région Alaska-Aléoutiennes

Sécurité du trafic aérien

GOES : observation du déplacement d’un panache volcanique

Les VAAC (Volcanic Ash Advisory Centres)

Example d’alerte des VAAC pour un nuage de cendres au Popocatepetl (Mexique) le 25

Juillet 2006• FVXX21 KNES 251542• VOLCANIC ASH ADVISORY• ISSUED: 20060725/1541Z VAAC: WASHINGTON

• VOLCANO: POPOCATEPETL 1401-09• LOCATION: N1901 W09837 AREA: MEXICO

• SUMMIT ELEVATION: 17802 FT (5426 M)

• ADVISORY NUMBER: 2006/021

• INFORMATION SOURCE: MEXICO CITY MWO. GOES-12. GFS• WINDS. CENAPRED.

• ERUPTION DETAILS: EMISSION AT 25/1450Z TO FL320

• OBS ASH DATE/TIME: 15/1515Z

• OBS ASH CLOUD: SFC/FL320 5NM WIDE LINE BETWEEN• N1856 W09848 - N1901 W09837. ASH IS MOVING SW• 20-25 KNOTS.

• FCST ASH CLOUD +6H: 15/2130Z SFC/FL320 N1807• W09937 - N1754 W09928 - N1740 W09953 - N1754• W09956 - N1807 W09937

• FCST ASH CLOUD +12H: 16/0330Z SFC/FL320 NO VA EXP.

• FCST ASH CLOUD +18H: 16/0930Z NO VA EXP.

• REMARKS: MEXICO CITY MWO REPORTS EMISSION OF• POPOCATEPETL TO FL320 AT 25/1450Z MOVING WEST• SOUTHWEST AT 20-25 KT. IMAGERY AT 25/1515Z• INDICATES PLUME EXTENDING 15 NMI TO THE WEST• SOUTHWEST OF THE SUMMIT. ...

• NEXT ADVISORY: WILL BE ISSUED BY 20060725/2145Z

• NNNN• Full Size Graphic

2: Observation d’anomalies thermiques

• Importance:– Détection d’éruptions sur les volcans isolés

– Surveillance des coulées de lave

– Etude du refroidissement des coulées de lave

– Surveillance des dômes de lave

• Résolution spatiale requise : 1km à 1m• Résolution temporelle requise: temps réel à quelques

semaines• Diverses similarités avec la surveillance des feux• De nombreux satellites peuvent contribuer à la

surveillance thermique

Imagerie NOAA AVHRR

Etna – 25 Juillet 2006

Imagerie Landsat / ASTER

Etna, 2001 – LANDSAT 7

Merapi, 2006 - ASTER

Le service de surveillance « HOTSPOT »

3: Topographie et changements de surface

• Importance:– La topographie est important en elle même (les divers

produits s’écoulent en fonction de celle-ci)– Les coulées de lave, les dépôts pyroclastiques modifient la

topographie des volcans. La cartographie 3D de ces changements est importante pour:

• Les divers travaux de reconstruction• L’évaluation du risque de déstabilisation de ces dépôts récents• Le suivi de l’évolution de la région dans les années suivants

l’éruption

• Résolution spatiale nécessaire : <1m• Résolution temporelle nécessaire: quelques heures à

plusieurs années

Modèles numériques de terrain à haute résolution

Les modèles numériques de terrain (MNT) précis (1m de précision altimétrique, 10m de taille de pixel) sont nécessaires pour de nombreux besoins de recherche et de surveillance

Pinatubo: comparaison d’images SPOT acquises entre 1991 and 1998. Végétation = rouge, dépôts de cendres = bleu-gris. Le sommet du volcan est en bas à droite

Evolution de la végétation après une grande éruption

4: Déformations du sol

• Importance:– Surveillance à moyen terme (gonflements, dégonflements,

détection de réveil du volcan)

– Surveillance à court terme (injection de dykes et fissures)

– Surveillance des failles actives.

– Surveillance de la subsidence de coulées de lave et de régions instables.

• Résolution spatiale requise : 1m à 50m• Résolution temporelle requise: temps réel à quelques

mois

Propagation d’une fissure sur un volcan

Etna, 2 Octobre 1989 (12h et 15h)

Interférométrie ERS à l’Etna (1995-1999)

PS InSAR à l’Etna

Field observation of an active fault mapped by the PS InSAR

Mouvement d’une faille asismique à l’Etna

Trecastagni fault (normal)

-5

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Interferogram duration (days)

Dis

pla

ce

me

nt

(mm

)

Inflation de la caldera Long Valley (USA)

Hooper et al., 2004

Cartographie de déformation à partir de données optiques stéréo haute résolution

Photographies aériennes du Piton de la Fournaise acquises en 1989 et 1997

Corrélogrammes (EW et NS)

Evaluation de l’épaisseur et du volume de dépôts

Les levés GPS cinématique permettent de valider la qualité des modèles numériques de terrain et de mesurer des épaisseurs de dépôts.

Production routinière d’interférogrammes du Piton de la Fournaise

Déformations provoquées par l’injection d’un dyke

Comparaison d’interférogrammes ERS et JERS au volcan Sakurajima, Japon

Etude du panache du volcan Miyake-jima, Japon à partir de données GPS

Synthèse

106

105

104

103

10410310010

Taille de pixel

Temps (s)

1

10

100

1

Optique

Radar

Méteo

GPS

Surveillance

Recherche