Observatoires volcanologiques Des Observatoires aux satellites

1. Observatoires volcanologiquesDes Observatoires aux satellites 28 Novembre 2007

2. Sommaire1: Volcans actifs dans le monde2: Les aléas volcaniques3: Surveillance volcanologique4: L’apport des satellites

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. Effets d’une coulée pyroclastique Soufriere Hills Montserrat, 2000 et la ville de Plymouth Montagne Pelée

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

11. 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

12. 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

13. 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

14. Activité hydrothermale, émission de gaz Lac Nyos, Cameroun Soufrière de Guadeloupe, 2000

15. 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)

16. 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

17. 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

18. 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)

19. Cartes d’aléa et de vulnérabilité Carte d’aléa et vulnérabilité à la Montagne Pelée

20. 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

21. Capteurs GPS Sismomètre Extensomètre Inclinomètre

22. 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

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

24. 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

25. 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

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

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

28. Mesure de température de lave et de vitesse de coulée 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)

29. Analyse géochimique de gaz et sublimés Piton de la Fournaise Vulcano

30. 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

31. 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

32. 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

33. 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.

34. 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

35. 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)

36. 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

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

38. GOES : observation du déplacement d’un panache volcanique

39. Les VAAC (Volcanic Ash Advisory Centres)

40. 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

41. 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

42. Imagerie NOAA AVHRR Etna – 25 Juillet 2006

43. Imagerie Landsat / ASTER Etna, 2001 – LANDSAT 7 Merapi, 2006 - ASTER

44. Le service de surveillance « HOTSPOT »

45. 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

46. 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

47. 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

48. 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

49. Propagation d’une fissure sur un volcan Etna, 2 Octobre 1989 (12h et 15h)

50. Interférométrie ERS à l’Etna (1995-1999)