Radiative properties of dry and crystal-bearing lavas
Les propriétés radiatives des magmas secs et riches en cristaux
Résumé
Temperature is a key parameter controlling the rheology of lava flows. However, the unpredictable hazard of eruptions prevents direct measurements of hot magmatic bodies. Thus, the temperature of lava is mostly retrieved by remote sensing techniques (ground- or satellite-based detectors) build on measuring infrared (IR) radiance. These well-established techniques are however subjected to important errors related to the poor knowledge of one of the most critical parameters, namely spectral emissivity. The aim of this study is to fill this gap by exploring the emissivity–temperature relationship of different basalts lato sensu (Bardarbungabasalt, Fasnia basanite, Juan de Fuca MORB basalt, and Oceanite from Piton de la Fournaise) and magmatic minerals (pyroxene, plagioclase, iron-rich oxide). In situ emissivity measurements were performed at magmatic temperatures (up to 1800 K) over a wide spectral range (350–8000 cm⁻¹; 1.25–28.6 μm), using a non-contact IR apparatus. To unravel the complex radiative behavior of the samples with temperature, structural, chemical,textural, and thermal analyses using SEM, EMPA Raman spectroscopy, XRD, TEM, and DSC, were systematically performed. Results show that spectral emissivity varies with temperature, wavenumber, and the sample degree of polymerization combined with FeO content. Spectral emissivity is greatly affected by the presence of crystals with distinct radiative properties and specifically by the clustering and crystallization of Fe-rich crystals at the micro-scale. Consequently, this study proves that spectral emissivity cannot be assumed constant for a given magma composition. Finally, laboratory-measured values of spectral emissivity allowed refining the remote sensing temperature of the 2014–2015 Holuhraun lava by ~50 degrees. These new insights will ultimately reduce uncertainties in temperature estimates based on IR technology, information that are crucial to improve hazard assessment in volcanic crisis.
La température est un paramètre clé contrôlant la rhéologie d’une coulée de lave. Cependant, le comportement imprévisible des éruptions empêche les mesures directes de températures. Par conséquent,ces mesures sont régulièrement effectuées par des techniques de télédétection (avec des détecteurs sur le terrain ou depuis l’espace) développées pour mesurer la radiation Infra-Rouge (IR). Ces techniques bien établies sont malgré tout sujettes à d’importantes erreurs liées au manque de connaissance de l’un des paramètres les plus importants, dénommé l’émissivité spectrale. L’objectif de cette étude est de combler ce manque en explorant la relation émissivité–température de basaltes lato sensu (basalte de Bardarbunga,basanite de Fasnia, MORB basalte de Juan de Fuca, et océanite du Piton de la Fournaise), et de cristaux magmatiques (pyroxène, plagioclase, et oxyde de fer). L’émissivité spectrale a été mesurée de façon in situ à des températures magmatiques (jusqu’à 1800 K) sur une large gamme spectrale (350–8000 cm⁻¹; 1.25–28.6 μm),à l’aide d’un appareil IR sans contact. Pour éclaircir le comportement radiatif complexe de ces échantillons en fonction de la température, des analyses systématiques de la texture, de la composition, de la structure, et du comportement thermique de ceux-ci ont été effectuées à l’aide des MEB, Microsonde, spectroscopie Raman,DRX, MET, et DSC. Les résultats démontrent que l’émissivité spectrale est dépendante de la température, du nombre d’onde, ainsi que du degré de polymérisation combiné à la teneur en FeO. L’émissivité spectrale est grandement influencée par la présence de cristaux qui ont des propriétés radiatives distinctes et plus particulièrement par l’agglomération et la cristallisation à l’échelle microscopique d’oxydes riche en Fe. Dès lors, cette étude prouve que l’émissivité spectrale pour une composition magmatique donnée ne peut pas être considérée comme constante. Pour finir, les mesures de laboratoire sur l’émissivité spectrale permettent de raffiner de 50 degrés la valeur de température de la coulée de lave d’Holuhraun (2014–2015) initialement mesurée par télédétection. Ces nouvelles connaissances pourront permettre dans le futur de réduire l’erreur associée aux estimations de température faites par télédétection IR, cette dernière étant indispensable pour l’amélioration de l’évaluation des risques lors d’une crise volcanique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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