Prévision de l’activité volcanique

Principes généraux de la sismologie des volcansModifier

• L’activité sismique (tremblements de terre et tremblements) se produit toujours lorsque les volcans se réveillent et se préparent à entrer en éruption et constitue un lien très important avec les éruptions. Certains volcans ont normalement une activité sismique continue de faible intensité, mais une augmentation peut signaler une plus grande probabilité d’éruption. Les types de tremblements de terre qui se produisent et l’endroit où ils commencent et se terminent sont également des signes clés. La sismicité volcanique a trois formes principales : le séisme à courte période, le séisme à longue période et le tremblement harmonique.
• Les séismes à courte période sont comme les séismes normaux générés par les failles. Ils sont causés par la fracturation de la roche fragile lorsque le magma force son chemin vers le haut. Ces séismes de courte période signifient la croissance d’un corps magmatique près de la surface et sont connus sous le nom d’ondes « A ». Ce type d’événements sismiques est souvent aussi appelé événements ou tremblements de terre volcano-tectoniques (ou VT).
• Les tremblements de terre à longue période sont censés indiquer une augmentation de la pression des gaz dans le système de plomberie d’un volcan. Ils sont similaires au cliquetis que l’on entend parfois dans le système de plomberie d’une maison, que l’on appelle « coup de bélier ». Ces oscillations sont l’équivalent de vibrations acoustiques dans une chambre, dans le contexte des chambres magmatiques du dôme volcanique, et sont connues sous le nom d’ondes « B ». Elles sont également connues sous le nom d’ondes de résonance et d’événements de résonance à longue période.
• Les tremblements harmoniques sont souvent le résultat de la poussée du magma contre la roche sus-jacente sous la surface. Ils peuvent parfois être assez forts pour être ressentis comme un bourdonnement ou un vrombissement par les personnes et les animaux, d’où leur nom.

Les schémas de sismicité sont complexes et souvent difficiles à interpréter ; cependant, l’augmentation de l’activité sismique est un bon indicateur de l’augmentation du risque d’éruption, en particulier si les événements de longue période deviennent dominants et que des épisodes de tremblements harmoniques apparaissent.

Utilisant une méthode similaire, les chercheurs peuvent détecter les éruptions volcaniques en surveillant les infrasons – sons subaudibles inférieurs à 20 Hz. Le réseau mondial d’infrasons de l’IMS, créé à l’origine pour vérifier le respect des traités d’interdiction des essais nucléaires, compte 60 stations dans le monde entier qui travaillent à la détection et à la localisation des volcans en éruption.

Études de cas sismiquesModifier

Une relation entre les événements à longue période et les éruptions volcaniques imminentes a été observée pour la première fois dans les enregistrements sismiques de l’éruption de 1985 du Nevado del Ruiz en Colombie. L’occurrence d’événements à longue période a ensuite été utilisée pour prédire l’éruption du Mont Redoubt en Alaska en 1989 et l’éruption du Galeras en Colombie en 1993. En décembre 2000, des scientifiques du Centre national de prévention des catastrophes de Mexico ont prédit une éruption dans les deux jours au Popocatépetl, dans la banlieue de Mexico. Leur prédiction s’appuyait sur les recherches effectuées par Bernard Chouet, un volcanologue suisse qui travaillait au United States Geological Survey et qui a été le premier à observer une relation entre les événements à longue période et une éruption imminente. Le gouvernement évacue des dizaines de milliers de personnes ; 48 heures plus tard, le volcan entre en éruption comme prévu. C’était la plus grande éruption du Popocatépetl depuis mille ans, et pourtant personne n’a été blessé.

Transmissions d’icebergsEdit

Les similitudes entre les tremblements des icebergs, qui se produisent lorsqu’ils s’échouent, et les tremblements volcaniques pourraient aider les experts à développer une meilleure méthode pour prédire les éruptions volcaniques. Bien que les icebergs aient des structures beaucoup plus simples que les volcans, ils sont physiquement plus faciles à travailler. Les similitudes entre les tremblements volcaniques et ceux des icebergs incluent de longues durées et amplitudes, ainsi que des changements communs de fréquences.

Émissions de gazModification

Panache de gaz et de cendres en éruption au mont Pinatubo, aux Philippines.

Lorsque le magma s’approche de la surface et que sa pression diminue, les gaz s’échappent. Ce processus ressemble beaucoup à ce qui se passe lorsque vous ouvrez une bouteille de boisson gazeuse et que le dioxyde de carbone s’échappe. Le dioxyde de soufre est l’un des principaux composants des gaz volcaniques, et des quantités croissantes de ce gaz annoncent l’arrivée de quantités croissantes de magma près de la surface. Par exemple, le 13 mai 1991, une quantité croissante de dioxyde de soufre a été libérée par le mont Pinatubo, aux Philippines. Le 28 mai, à peine deux semaines plus tard, les émissions de dioxyde de soufre avaient atteint 5 000 tonnes, soit dix fois la quantité précédente. Le mont Pinatubo est ensuite entré en éruption le 12 juin 1991. À plusieurs reprises, comme avant l’éruption du Mont Pinatubo et l’éruption de Galeras en Colombie en 1993, les émissions de dioxyde de soufre ont chuté à de faibles niveaux avant les éruptions. La plupart des scientifiques pensent que cette baisse des niveaux de gaz est due à l’obturation des passages de gaz par le magma durci. Un tel événement entraîne une augmentation de la pression dans le système de plomberie du volcan et une augmentation des risques d’éruption explosive. Un système d’analyseur de gaz multi-composants (Multi-GAS) est un ensemble d’instruments utilisés pour prendre des mesures haute résolution en temps réel des panaches de gaz volcaniques. Les mesures multi-GAS des rapports CO2/SO2 peuvent permettre de détecter le dégazage pré-éruptif des magmas ascendants, améliorant ainsi la prédiction de l’activité volcanique.

Déformation du solEdit

Le gonflement d’un volcan signale que le magma s’est accumulé près de la surface. Les scientifiques qui surveillent un volcan actif vont souvent mesurer l’inclinaison de la pente et suivre les changements dans le taux de gonflement. Une augmentation du taux de gonflement, surtout si elle est accompagnée d’une augmentation des émissions de dioxyde de soufre et de tremblements harmoniques, est un signe très probable d’un événement imminent. La déformation du mont Saint Helens avant l’éruption du 18 mai 1980 est un exemple classique de déformation, car le côté nord du volcan était bombé vers le haut alors que le magma s’accumulait en dessous. La plupart des cas de déformation du sol ne sont généralement détectables qu’à l’aide d’équipements sophistiqués utilisés par les scientifiques, mais ils peuvent néanmoins prédire les futures éruptions de cette manière. Les volcans hawaïens présentent une déformation significative du sol ; on observe un gonflement du sol avant une éruption, puis un dégonflement évident après l’éruption. Ceci est dû à la chambre magmatique peu profonde des volcans hawaïens ; le mouvement du magma est facilement remarqué sur le sol au-dessus.

Surveillance thermiqueModification

Les mouvements du magma, les changements dans la libération des gaz et l’activité hydrothermale peuvent tous deux entraîner des changements d’émissivité thermique à la surface du volcan. Ceux-ci peuvent être mesurés à l’aide de plusieurs techniques :

• la radiométrie infrarouge à vision frontale (FLIR) à partir d’appareils portatifs installés sur place, à distance ou aéroportés;
• l’imagerie satellitaire à bande infrarouge ;
• la thermométrie in situ (sources chaudes, fumerolles)
• les cartes de flux thermique
• les changements d’enthalpie des puits géothermiques

HydrologieModification

Il existe 4 méthodes principales qui peuvent être utilisées pour prédire une éruption volcanique par l’utilisation de l’hydrologie :

• Les mesures hydrologiques et hydrauliques des forages et des puits sont de plus en plus utilisées pour surveiller les changements dans la pression gazeuse et le régime thermique de la subsurface d’un volcan. L’augmentation de la pression de gaz fera monter les niveaux d’eau et baisser soudainement juste avant une éruption, et la focalisation thermique (augmentation du flux de chaleur local) peut réduire ou assécher les aquifères.
• Détection des lahars et autres coulées de débris à proximité de leurs sources. Les scientifiques de l’USGS ont développé un système peu coûteux, durable, portable et facile à installer pour détecter et surveiller en permanence l’arrivée et le passage des coulées de débris et des inondations dans les vallées fluviales qui drainent les volcans actifs.
• Des sédiments pré-éruption peuvent être ramassés par un canal fluvial entourant le volcan qui montre que l’éruption réelle peut être imminente. La plupart des sédiments sont transportés depuis les bassins versants perturbés par le volcan pendant les périodes de fortes pluies. Cela peut être une indication de changements morphologiques et d’une activité hydrothermale accrue en l’absence de techniques de surveillance instrumentale.
• Le dépôt volcanique qui peut être placé sur la rive d’une rivière peut facilement être érodé, ce qui élargira ou approfondira considérablement le canal de la rivière. Par conséquent, la surveillance de la largeur et de la profondeur des canaux fluviaux peut être utilisée pour évaluer la probabilité d’une future éruption volcanique.

Détection à distanceEdit

La télédétection est la détection par les capteurs d’un satellite de l’énergie électromagnétique qui est absorbée, réfléchie, rayonnée ou diffusée par la surface d’un volcan ou par sa matière éruptive dans un nuage d’éruption.

• ‘Détection des nuages : Les scientifiques peuvent surveiller les nuages d’éruption exceptionnellement froids des volcans en utilisant les données de deux longueurs d’onde thermiques différentes pour améliorer la visibilité des nuages d’éruption et les discriminer des nuages météorologiques
• ‘Détection des gaz : Le dioxyde de soufre peut également être mesuré par télédétection à certaines des mêmes longueurs d’onde que l’ozone. Les spectromètres de cartographie de l’ozone total (TOMS) peuvent mesurer la quantité de gaz sulfureux libéré par les volcans lors des éruptions. Les émissions de dioxyde de carbone des volcans ont été détectées dans l’infrarouge à ondes courtes à l’aide de l’Observatoire orbital du carbone 2 de la NASA.
• Détection thermique : La présence de nouvelles signatures thermiques significatives ou de « points chauds » peut indiquer un nouveau réchauffement du sol avant une éruption, représenter une éruption en cours ou la présence d’un dépôt volcanique très récent, y compris des coulées de lave ou des coulées pyroclastiques.
• Détection des déformations : Les données radar spatiales transmises par satellite peuvent être utilisées pour détecter les changements géométriques à long terme de l’édifice volcanique, tels que le soulèvement et la dépression. Dans cette méthode, le radar interférométrique à ouverture synthétique (InSAR), les modèles numériques d’élévation générés à partir de l’imagerie radar sont soustraits les uns des autres pour donner une image différentielle, affichant les taux de changement topographique.
• Surveillance des forêts : Récemment, il a été démontré que l’emplacement des fractures éruptives pouvait être prédit, des mois à des années avant les éruptions, par la surveillance de la croissance des forêts. Cet outil basé sur la surveillance de la croissance des arbres a été validé à la fois au Mont Niyragongo et au Mont Etna pendant les événements éruptifs du volcan 2002-2003.
• Détection des infrasons : Une approche relativement nouvelle de la détection des éruptions volcaniques consiste à utiliser les capteurs d’infrasons du réseau d’infrasons du système international de surveillance (IMS). Cette méthode de détection prend les signaux de plusieurs capteurs et utilise la triangulation pour déterminer l’emplacement de l’éruption.

Mouvements de masse et défaillances de masseEdit

La surveillance des mouvements de masse et des défaillances utilise des techniques prêtées à la sismologie (géophones), à la déformation et à la météorologie. Les glissements de terrain, les chutes de pierres, les coulées pyroclastiques et les coulées de boue (lahars) sont des exemples de défaillances de masse de matériaux volcaniques avant, pendant et après les éruptions.

Le glissement de terrain volcanique le plus célèbre est probablement la défaillance d’un renflement qui s’est construit à partir de l’intrusion de magma avant l’éruption du Mont St-Hélène en 1980, ce glissement de terrain a « débouché » l’intrusion magmatique peu profonde, provoquant une défaillance catastrophique et un souffle éruptif latéral inattendu. Les chutes de pierres se produisent souvent pendant les périodes de déformation accrue et peuvent être un signe d’activité accrue en l’absence de surveillance instrumentale. Les coulées de boue (lahars) sont des dépôts de cendres hydratées remobilisées provenant de coulées pyroclastiques et de dépôts de chutes de cendres, se déplaçant vers le bas de la pente même à des angles très faibles et à grande vitesse. En raison de leur densité élevée, elles sont capables de déplacer de gros objets tels que des camions d’exploitation forestière chargés, des maisons, des ponts et des blocs rocheux. Leurs dépôts forment généralement un deuxième anneau de cônes de débris autour des édifices volcaniques, le cône intérieur étant constitué de dépôts de cendres primaires. En aval du dépôt de leur charge la plus fine, les lahars peuvent encore constituer un risque d’inondation en raison de l’eau résiduelle. Les dépôts de lahars peuvent mettre plusieurs mois à sécher, jusqu’à ce qu’on puisse y marcher. Les dangers dérivés de l’activité des lahars peuvent exister plusieurs années après une grande éruption explosive.

Une équipe de scientifiques américains a développé une méthode de prévision des lahars. Leur méthode a été mise au point en analysant les roches du mont Rainier, dans l’État de Washington. Le système d’alerte dépend de la constatation des différences entre les roches fraîches et les roches plus anciennes. Les roches fraîches sont de mauvais conducteurs d’électricité et subissent des altérations hydrothermiques sous l’effet de l’eau et de la chaleur. Par conséquent, s’ils connaissent l’âge des roches, et donc leur résistance, ils peuvent prédire les trajectoires d’un lahar. Un système de moniteurs de débit acoustique (AFM) a également été placé sur le Mont Rainier pour analyser les tremblements du sol qui pourraient entraîner un lahar, fournissant ainsi une alerte plus précoce.