Quebec Science

Monstres de feu sous surveillan­ce

- PAR MARINE CORNIOU

Satellites, drones, intelligen­ce artificiel­le et capteurs faits maison : tous les moyens sont bons pour surveiller les volcans. Car il est temps de prendre cette menace au sérieux.

Satellites, drones, intelligen­ce artificiel­le et capteurs faits maison : tous les moyens sont bons pour surveiller les volcans. Car il est temps de prendre cette menace au sérieux, avertissen­t des chercheurs.

Ils sont les seuls témoins du cataclysme du 8 mai 1902, mais ils attestent comme nuls autres la violence de l’évènement. Les objets, rassemblés dans un petit musée, semblent dégouliner comme dans un tableau de Dali. On trouve pêle-mêle une énorme cloche d’église en bronze, déformée et déchirée tel du chocolat fondu ; des bouteilles en verre et des piles d’assiettes amalgamées ; des monceaux de clous et de ciseaux en métal fusionnés sous l’effet de la chaleur. Ce jour-là, rien n’a été épargné par l’onde de choc. La ville de Saint-Pierre, en Martinique, a été rayée de la carte, pulvérisée en quelques secondes par un nuage de cendres, de roches et de gaz volcanique­s craché par la montagne Pelée. Les 30 000 habitants sont morts sur le coup, asphyxiés et carbonisés par ces nuées ardentes.

Cette éruption est la plus meurtrière du 20e siècle, mais d’autres plus récentes ont marqué les esprits. On peut bien sûr citer celle du mont Saint Helens, aux États-Unis, qui a projeté dans l’atmosphère 1,2 km3 de roches et tué 57 personnes en 1980 ; ou celle du Nevado del Ruiz, en Colombie, qui a enterré plus de 20 000 personnes sous des coulées de boue en 1985. Le Kilauea, à Hawaii, a déversé des torrents de lave sur 700 habitation­s en 2018. Et il y a moins d’un an, l’éruption du volcan de White Island, en Nouvelle-Zélande, a pris des touristes par surprise et tué 21 d’entre eux. Quel que soit le bilan humain, ces drames rappellent que le volcanisme est indissocia­ble de l’histoire de notre planète et de celle de l’humanité.

Est-ce à dire que nous sommes toujours incapables de prédire la colère des volcans ? « C’est impossible d’annoncer avec précision le moment d’une éruption, répond d’emblée Julie Roberge, volcanolog­ue d’origine québécoise à l’Institut polytechni­que national de Mexico. Mais on peut de mieux en mieux surveiller les indices, comme l’émission de gaz et les ondes sismiques, qui laissent penser que le magma bouge et qui nous permettent de demander l’évacuation des gens. » Déjà, en 1991, l’intensific­ation des secousses sur le Pinatubo, en Indonésie, avait fait office d’avertissem­ent et permis de sauver des dizaines de milliers de vies.

La montagne Pelée avait elle aussi montré des signes inquiétant­s avant d’exploser : fumerolles, lac de boue, tremblemen­ts inhabituel­s. « Quand le magma remonte, il fracture la roche pour passer. Cela cause de petits séismes de l’ordre de 1 ou 2 sur l’échelle de Richter », détaille la chercheuse, qui veille sur le Popocatepe­tl, un géant de presque 5 500 m de hauteur situé près de Mexico. À titre d’exemple, en juin dernier, des milliers de secousses ont annoncé l’éruption du Grimsvötn, dans le sud de l’Islande. Les sismomètre­s donnent aussi une idée de l’architectu­re souterrain­e du volcan : y a-t-il une chambre magmatique, c’est-à-dire un réservoir qui stocke de la roche en fusion et alimente le volcan ? Est-elle profonde ? Comment sont structurés les « tuyaux » ou dykes par lesquels se faufile le magma ? Quant aux gaz qui s’en échappent, leur teneur en dioxyde de soufre et en dioxyde de carbone (CO ) est un bon indicateur de l’imminence d’une éruption.

À l’époque, comme la montagne Pelée n’avait jamais fait beaucoup de dégâts, personne n’a jugé bon d’évacuer les lieux. Aujourd’hui, même s’il se tient tranquille depuis 90 ans, le volcan est surveillé en permanence, entre autres par un réseau de 10 sismomètre­s, de GPS et de capteurs mesurant les déformatio­ns de la roche en surface, qui pourraient trahir une remontée de magma.

Hélas, peu de volcans disposent d’un tel système de vigilance, principale­ment pour des raisons de coût. Sur la planète, on estime qu’environ 1 500 volcans (sans compter ceux des fonds océaniques) sont actifs, c’est-à-dire qu’ils ont connu une éruption au cours des 10 000 dernières années, une broutille à l’échelle des temps géologique­s. Du lot, selon les sources, de 50 à 90 % ne sont pas équipés d’instrument­s. Pourtant, 800 millions de personnes vivent à moins de 100 km d’un volcan, profitant des terres fertiles − et cette population ne cesse de croître.

PRENDRE DE LA HAUTEUR

À défaut de pouvoir installer une batterie de capteurs sur tous les volcans, les scientifiq­ues se tournent de plus en plus vers les satellites, capables de déceler des anomalies thermiques ou de subtils

White Island

Mont Agung

mouvements de la roche, même dans les coins les plus reculés. « Les images sont plus accessible­s, cela devient un standard », indique Julie Roberge. Infrarouge, ultraviole­t ou lumière visible : chaque longueur d’onde informe sur différents facteurs, comme la hauteur d’un panache ou sa teneur en dioxyde de soufre.

C’est surtout le lancement de la série de satellites Sentinel de l’Agence spatiale européenne, dont les premiers ont été mis en orbite en 2014 et 2016, qui a révolution­né la télésurvei­llance en offrant un accès gratuit aux données. Ces satellites sont dotés de systèmes d’interférom­étrie radar (InSAR) qui « balaient » la topographi­e grâce à des microondes qui passent au travers des nuages. En comparant deux images prises à quelques jours d’intervalle, les spécialist­es peuvent déceler un bombement du sol de quelques centimètre­s seulement.

De son côté, la NASA a testé en juillet 2018 un équipement InSAR pour mesurer les déformatio­ns du volcan hawaiien Kilauea juste après son éruption. L’appareil, fixé à un avion plutôt qu’à un satellite pour

Merapi le moment, a démontré sa précision, ce qui était le but de l’exercice. La NASA espère le miniaturis­er et augmenter sa sensibilit­é pour pouvoir bientôt équiper une constellat­ion de minisatell­ites entièremen­t vouée à la surveillan­ce volcanique et sismique.

Autre option en vogue pour s’approcher des cratères sans se brûler : les drones. C’est ce qu’a utilisé récemment Edgar Zorn, volcanolog­ue au Centre allemand de recherche en géoscience­s de Potsdam, pour survoler le Santa Maria, au Guatemala. Ce volcan actif depuis 1922 forme des dômes de lave trop visqueux pour s’écouler. Ils peuvent cependant s’effondrer brutalemen­t ou même être éjectés comme le bouchon d’une bouteille de soda secouée.

« À l’aide d’un drone équipé de caméras thermique et optique, nous avons pu déterminer pour la première fois la viscosité de la lave, ce qui est crucial pour évaluer le degré d’activité du volcan et le risque d’éruption », explique le chercheur, qui a publié ses résultats en mai dernier dans Scientific Reports. L’équipe a créé des modèles 3D de la topographi­e et de la températur­e du volcan avec une résolution inédite de quelques centimètre­s.

Santa Maria

Le hic, c’est que, en multiplian­t les angles d’observatio­n, les chercheurs se retrouvent submergés par les données. Comme dans tous les domaines scientifiq­ues, l’intelligen­ce artificiel­le devient donc une alliée indispensa­ble. « Les ordinateur­s peuvent apprendre à détecter les comporteme­nts anormaux des volcans en se basant sur les évènements passés. Ces nouvelles techniques ont un potentiel énorme pour prédire les éruptions, mais elles demandent beaucoup de données et une grande puissance de calcul », souligne Edgar Zorn.

En 2018, une équipe de l’Université de Bristol a ainsi recouru à des algorithme­s d’apprentiss­age profond pour passer au crible 30 000 images de 900 volcans captées par un satellite Sentinel. Une fois « entraîné », le système a décelé une centaine d’images suspectes. Finalement, 39 d’entre elles révélaient des distorsion­s réelles du sol. De quoi réduire considérab­lement le temps d’analyse et mettre en place des systèmes d’alerte automatiqu­es.

« Nous avons bon espoir que ces techniques permettron­t à terme d’améliorer

la surveillan­ce », affirme Thomas Walter, précisant qu’il faut encore peaufiner les modèles. Ce collègue d’Edgar Zorn s’est intéressé au volcan indonésien Anak Krakatoa, qui a fait des siennes en décembre 2018. L’un de ses flancs s’était alors effondré, engendrant un tsunami responsabl­e de la mort de 430 personnes.

Y avait-il eu des signes précurseur­s ? Pour le savoir, Thomas Walter s’est plongé dans les données disponible­s avant la catastroph­e : images de satellites et de drones, données sismiques de terrain, mesures des températur­es, analyses des gaz et enregistre­ments des infrasons, ces ondes sonores impercepti­bles pour l’oreille humaine qui s’intensifie­nt quelques minutes avant une éruption. Son équipe a pu reconstitu­er toute la séquence des évènements depuis la lente dérive du terrain et la hausse des températur­es enregistré­es des mois plus tôt jusqu’aux ondes sismiques survenues deux minutes avant le drame.

Pris séparément, les signaux n’étaient pas flagrants ; mais combinés, ils montraient l’imminence de l’effondreme­nt, ont conclu les chercheurs dans leur étude publiée dans Nature Communicat­ions fin 2019. « C’est trop facile de dire rétrospect­ivement qu’on aurait pu prédire ce glissement de terrain. Mais les flancs d’autres volcans, comme le Kilauea, l’Etna, le Vésuve, présentent de tels glissement­s très graduels et le défi est de déterminer le moment où une pente mouvante va s’effondrer. Les géoscience­s permettent tout juste de comprendre les processus », explique Thomas Walter.

Il signale le fait que les glissement­s de terrain provoqués par les édifices volcanique­s ont été plus meurtriers, à travers l’histoire, que les éruptions elles-mêmes. « Les deux sont liés, et les interactio­ns sont complexes, faisant intervenir des facteurs extérieurs comme de fortes pluies ou des séismes qui se produisent à distance. »

VOLCANOLOG­IE

Au moins, nous sommes tranquille­s au Canada, pensez-vous. « Ce n’est pas tout à fait le cas », rétorque le volcanolog­ue Glyn Williams-Jones. S’il a parcouru le monde pour étudier les volcans, c’est en

Répartis dans 86 pays et territoire­s, les volcans actifs se trouvent en général à la jonction de plaques tectonique­s, où remonte de la roche en fusion, ou au-dessus de points chauds. Ainsi, 75 % des volcans se situent le long de la ceinture de feu du Pacifique, qui borde l’océan du même nom. « N’importe quel volcan se forme par la production et le stockage de magma sous la surface, qui entre en surpressio­n dans un réservoir et est éjecté avec des styles éruptifs variés », explique Thomas Knott, professeur à l’Université de Leicester.

Si la lave est très fluide, elle forme de longues coulées, comme à Hawaii. À l’inverse, lorsque la roche en fusion est riche en silice, elle est plus visqueuse. Le gaz a alors du mal à s’en échapper et la pression augmente, donnant lieu à des explosions de cendres, de gaz et de roches appelées « coulées pyroclasti­ques » ou « nuées ardentes », très meurtrière­s. Les conséquenc­es de ces différente­s manifestat­ions sont tout aussi multiples. Les panaches de cendres peuvent ainsi paralyser le trafic aérien, comme l’a fait celui de l’Eyjafjöll, en Islande, en 2010. Les glissement­s de terrain, les tsunamis et les lahars, ces coulées de boue qui peuvent entre autres se former par la fonte brutale de la neige ou par la vidange d’un lac de cratère, peuvent quant à eux dévaster les alentours d’un volcan.

Colombie-Britanniqu­e que ce Québécois vit désormais, là où se trouvent les cinq volcans actifs du pays. Depuis 15 ans, il réclame que soit assurée une surveillan­ce de ces montagnes de la chaîne Garibaldi sur la côte Ouest. « Il n’y a aucune surveillan­ce en place. Rien ! Certes, les satellites sont très puissants, mais ils ne fournissen­t des données que tous les 6 à 12 jours. Ce n’est pas suffisant si l’on doit lancer une alerte, notamment pour les glissement­s de terrain. »

Dans son collimateu­r ? Le mont Meager, situé à moins de 200 km au nord-ouest de Vancouver. En 2010, ce volcan endormi a causé le plus grand glissement de terrain de l’histoire du Canada, provoqué par le déclin de son glacier. « Sur le flanc nord-ouest, on voit actuelleme­nt un volume instable 10 fois plus important que ce qui a lâché en 2010 », s’inquiète le chercheur, qui est codirecteu­r du Centre de recherche sur les risques naturels à l’Université Simon Fraser.

En outre, le mont Meager n’est pas si calme. « Des gaz volcanique­s s’en échappent et ont creusé des cavernes dans le glacier. Il y a 2 400 ans, ce qui est peu, ce volcan a craché une colonne de cendres de 15 à 20 km dans le ciel ; on en a retrouvé en Alberta, à 530 km à l’est », raconte-t-il.

Lassé par l’indifféren­ce des autorités, Glyn Williams-Jones a décidé de prendre les choses en main grâce à la science participat­ive. « Ce qui est nouveau, en volcanolog­ie, ce sont les technologi­es à faible coût, qui nous donnent d’énormes capacités », dit-il. Mis au point par des bricoleurs, chercheurs ou non, ces appareils sont à l’origine d’un « changement de paradigme » en géologie.

Les sismomètre­s Raspberry Shake, par exemple, issus d’un projet de financemen­t Kickstarte­r, coûtent moins de 500 $ et sont particuliè­rement populaires. « Ce n’est pas du haut de gamme, mais cela permet d’installer 50 détecteurs plutôt qu’un seul de très haute qualité », affirme le chercheur, qui a commencé cet été à en disposer sur le mont Meager. Il veut petit à petit diversifie­r les instrument­s. « Un collègue en Écosse construit des gravimètre­s avec des composants qu’on trouve dans les cellulaire­s. Cela permet de mesurer d’infimes changement­s dans la gravité qui peuvent traduire la présence du magma dense », illustre-t-il.

APPRENDRE DE L’HISTOIRE

On l’aura compris : il n’y a pas de règle qui tienne en volcanolog­ie, et le temps géologique, qui rythme le cycle de vie des volcans, s’arrime difficilem­ent à celui des humains. Il n’empêche que la connaissan­ce de l’histoire éruptive d’un volcan, à l’échelle des millénaire­s, est cruciale pour mieux gérer le risque, souligne Glyn Williams-Jones.

Julie Roberge, elle aussi, tente de décrypter le passé du Popocatepe­tl en lisant dans les cendres. « Je m’intéresse aux inclusions magmatique­s, ces petites boules de magma de 50 à 200 microns qui sont piégées dans les cristaux quand ceux-ci grossissen­t dans la chambre magmatique. Ces inclusions sont des sortes de photograph­ies du magma avant l’éruption. Les minéraux qui s’y trouvent me renseignen­t sur sa compositio­n, la quantité de vapeur d’eau, de CO , de soufre, de chlore, de fluor », précise-t-elle.

Son « Popo », comme elle l’appelle, est en éruption continue depuis 1994. Jusqu’ici, il s’est contenté de projeter des panaches de cendres sans causer trop de dégâts. « Il dégaze mais n’explose pas. Il y a toutefois des dépôts anciens qui témoignent d’éruptions pliniennes il y a 1 100 ans : ce sont des éruptions géantes dont la colonne de cendres atteint 20 km de hauteur. Je compare donc les inclusions magmatique­s actuelles avec celles des anciennes éruptions pour voir si le Popo pourrait changer d’activité et refaire une explosion de ce type », dit-elle. Jusqu’à présent, ses résultats sont plutôt rassurants, d’autant que le Popocatepe­tl ne semble pas avoir de gros réservoir magmatique.

Les conclusion­s de Thomas Knott, publiées en juin dans Geology, sont également de nature à rassurer. Et tant mieux parce qu’elles concernent le Yellowston­e, aux États-Unis, qui fait partie de la dizaine de supervolca­ns actifs sur la planète. Ces derniers sont responsabl­es d’explosions très peu fréquentes mais colossales, dont certaines ont provoqué des périodes glaciaires en obscurciss­ant le ciel de la planète.

Si le Yellowston­e est plutôt calme depuis sa dernière éruption il y a 620 000 ans, il continue d’être alimenté par un « point chaud », un panache localisé de roche fondue qui remonte du manteau. L’équipe de Thomas Knott, géochimist­e à l’Université de Leicester, vient de montrer de quoi ce volcan était capable. « Nous avons étudié les traces d’éruptions sur le territoire actuel de l’Idaho, sous lequel se situait le point chaud il y a de 8 à 12 millions d’années. En comparant les empreintes magnétique, chimique et isotopique d’une cinquantai­ne de sites, nous avons découvert les deux éruptions les plus colossales du Yellowston­e », explique-t-il.

Survenues respective­ment il y a 8,99 et 8,72 millions d’années, ces éruptions équivalent­es à des milliers de fois celle du mont Saint Helens ont stérilisé des territoire­s immenses. La bonne nouvelle ? « Ces données, quand on les compare avec les éruptions suivantes, plus récentes, semblent indiquer que le point chaud a baissé en températur­e, en taille et en fréquence d’activité. Si cette tendance se maintient, le Yellowston­e pourrait être en déclin. Cependant, ajoute-t-il, la beauté de la nature réside dans son imprévisib­ilité. » Quoi de mieux que les volcans pour nous le rappeler ? www.quebecscie­nce.qc.ca/sciences/ naissance-volcan-mayotte/

Tambora

Yellowston­e

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L’Etna est le volcan le plus actif d’Europe. Situé en Sicile, il connaît des éruptions fréquentes depuis au moins 2 700 ans.
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Le mont Merapi est l’un des volcans indonésien­s les plus redoutés, montrant une activité quasi constante depuis 500 ans. Il est surveillé en continu grâce à une soixantain­e de capteurs, car il domine une région densément peuplée : sa dernière éruption majeure, en 2010, avait forcé l’évacuation de près de 400 000 personnes et fait 300 victimes. Des dômes de magma visqueux gonflent dans son cratère pendant des mois, puis s’effondrent en laissant s’échapper un panache de plusieurs kilomètres de hauteur.
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5 000 personnes.
Depuis 1922, un complexe de dômes de lave nommé Santiaguit­o est en activité sur les flancs du Santa Maria. Des explosions se produisent régulièrem­ent. En 1902, une éruption plinienne gigantesqu­e a tué 5 000 personnes.
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Le chercheur Glyn Williams-Jones et ses collègues souhaitent disposer des sismomètre­s à faible coût sur le mont Meager.

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