Observatoires volcanologiques Des Observatoires aux satellites 28 Novembre 2007

Sommaire 1: Volcans actifs dans le monde 2: Les aléas volcaniques 3: Surveillance volcanologique 4: 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 Guagua Pichincha, Equateur, 2001 Auckland, Nouvelle Zélande

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

Grande éruption de 1669 à l’Etna Coulées de lave 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 pente Le taux d’effusion La durée de l’éruption Grande éruption de 1669 à l’Etna

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 Soufriere Hills Montserrat, 2000 et la ville de Plymouth Montagne Pelée

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 Sakurajima, 2000 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)

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’aléa Etablissement 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 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 Montagne Pelée Observatoire volcanologique de Guadeloupe, 2006 Soufrière de Guadeloupe Observatoire volcanologique du Piton de la Fournaise, 2002 Observatoire volcanologique du Vésuve, 1900

Capteurs GPS Sismomètre Extensomètre Inclinomètre

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 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

Les radar doppler mesurent la vitesse des blocs éjectés par un volcan Voldorad (Volcano Doppler Radar) développé à l’Observatoire de Clermont-Ferrand

Mesure de gaz Poas, 1985 Etna, 2005 Stromboli, 1985

Mesure de température de lave et de vitesse de coulée Distance au point d’émission (m) Temps (s) Donnée Temperature Stromboli, 1986 Température estimée (°C) Distance au point de sortie de lave (m)

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 Même de petites éruptions peuvent injecter des quantités détectables de SO2 dans la stratosphère Panache de l’Etna vu par l’instrument GOME (image composite de 3 jours d’observations (22-24 Juillet 2001). Document DLR.

Surveillance des panaches volcaniques Divers satellites contribuent à cette surveillance Satellites géostationnaires météorologiques NOAA-GOES METEOSAT Divers satellites à orbite basse TERRA, AQUA, ASTER, SPOT, LANDSAT, … Image ASTER du volcan Merapi, Indonésie, Juin 2006

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

Sécurité du trafic aérien 100000 avions circulent chaque année dans la région Alaska-Aléoutiennes

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

Evolution de la végétation après une grande éruption 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

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)

Field observation of an active fault mapped by the PS InSAR PS InSAR à l’Etna Field observation of an active fault mapped by the PS InSAR

Mouvement d’une faille asismique à l’Etna

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 Radar Optique Recherche Surveillance Méteo GPS Temps (s) 106 105 Optique Recherche 104 103 100 Surveillance Méteo 10 1 GPS Taille de pixel 1 10 100 103 104