Dans les profondeurs d’un volcan grâce à l’intelligence artificielle

Une vue aérienne du Grand Cratère de l’île de Vulcano, dans l’archipel des Éoliennes. Le cratère est un système fermé « à bouchon », ce qui rend ce contexte particulièrement intéressant pour la recherche scientifique. © Douglas Stumpp

Une équipe de l’Université de Genève a réalisé une représentation 3D du cœur d’une île volcanique au nord de la Sicile grâce à l’intelligence artificielle. Cela représente une avancée majeure dans la gestion des risques.

Depuis 2021, l’île de Vulcano, la plus septentrionale de l’archipel sicilien des Éoliennes, montre des signes de réveil.
Les personnes qui ont eu l’occasion de la visiter savent que, parmi les îles volcaniques situées au nord de Messine, Vulcano est celle qui permet de s’approcher le plus près de son cratère principal.

En moins d’une heure de marche, à travers genêts, blocs volcaniques et sable de lave, on peut atteindre le Grand Cratère, une vaste dépression d’environ 500 mètres de diamètre, d’où s’échappent de nombreuses fumerolles – les seules manifestations visibles du monde en mouvement sous les pieds des visiteurs.

Un cliché, un moment de contemplation du paysage (depuis le sommet, on peut admirer l’ensemble de l’archipel dans toute sa splendeur, avec Stromboli, Alicudi, Filicudi, Lipari et Salina au premier plan), puis retour vers la mer, avec ce mélange de crainte et d’émerveillement que l’on emporte avec soi après s’être penché au bord du cratère d’un volcan en activité.

Le sommet du volcan offre des panoramas à couper le souffle sur l’archipel des Éoliennes. Matteo Martelli

Un sous-sol en ébullition

«Les fumerolles sont la partie la plus haute d’un système hydraulique structuré qui atteint jusqu’à 10 kilomètres de profondeur», explique Matteo Lupi, professeur associé au Département des sciences de la Terre de l’Université de Genève. «Elles sont révélatrices de l’état d’un volcan, par exemple à travers une concentration plus ou moins élevée de CO₂, un fluide libéré en présence de magma.»

Outre l’analyse des fumerolles, la surveillance des volcans repose également sur les signaux sismiques enregistrés à proximité immédiate de leur surface. Même si certains travaux ont permis de définir la structure interne à grande échelle, rares sont ceux qui ont réussi à explorer les dynamiques plus profondes.

La cartographie 3D réalisée par l’Université de Genève, en collaboration avec l’Institut national italien de géophysique et de volcanologie (INGVLien externe), offre désormais une image sans précédent de l’intérieur d’un volcan.

«La technologie utilisée (la tomographie, NDLR) est disponible depuis le début des années 2000. Mais le véritable progrès réside dans l’utilisation d’un nombre aussi élevé de capteurs et dans l’analyse des données grâce à l’intelligence artificielle», explique Matteo Lupi, qui a dirigé ce travail.

À titre de comparaison, le chercheur précise: «Nous assistons à un passage de l’échographie à l’imagerie par résonance magnétique» – des images en très haute résolution révèlent désormais des détails jusqu’ici inexplorés des profondeurs de la Terre.

Pourquoi sur l’île de Vulcano?

Depuis la fin septembre 2021, l’île de Vulcano a montré des signes incontestables de réveil, liés au mouvement de fluides dans le sous-sol, donc de magma et de gaz. «Nous avons été alertés par l’INGV de Catane. Nous avons chargé notre fourgon et, en trois jours, nous étions sur place pour tester notre instrumentation dans un environnement volcanique.»

L’objectif de Matteo Lupi et de son équipe était de comprendre ce qui déclenche le réveil d’un volcan. La méthode, développée à l’origine pour la prospection géothermique à bas coût et déjà appliquée dans plusieurs régions de Suisse, y compris au Tessin, attendait une mise en œuvre dans un environnement volcanique logiquement accessible.

Près de 200 capteurs de pointe, appelés «nœuds sismiques», ont été installés sur place. Pendant un mois, ils ont enregistré les vibrations naturelles du sol sur une large gamme de fréquences. On sait, par exemple, que certaines ondes – appelées ondes sismiques secondaires – se propagent plus lentement lorsqu’elles traversent des zones riches en fluides, ce qui permet de détecter la présence de magma.

Une coupe verticale du modèle 3D avec les vitesses correspondantes des ondes S. Université de Genève

Cet énorme volume de données a ensuite été traité par le superordinateur Yggdrasil de l’Université de Genève, entraîné à partir d’une grande quantité de données similaires provenant du monde entier. Sans l’intelligence artificielle, il aurait été impossible d’obtenir ces résultats manuellement et dans un délai aussi court. À l’origine de cette technique innovante, précise le professeur, se trouve l’ingéniosité de Douglas Stumpp, doctorant au Département des sciences de la Terre et auteur principal de l’étude.

Une révolution dans la gestion des risques

Dans le cas de Vulcano, ces premières analyses ont permis de comprendre que le flanc du volcan glisse en direction de Lipari, avec des fractures remplies de fluides sous pression. «Pouvoir identifier les zones où le système est le plus fragile permet de mieux localiser les secteurs à risque en cas d’éruption, et ainsi d’améliorer la gestion des évacuations», explique Matteo Lupi.

Et de poursuivre: «Dans le cas spécifique de Vulcano, nous savons aujourd’hui que la partie plane de l’île peut être relativement tranquille, tandis que la zone du port et celle du camping sont à éviter absolument.»

La partie basse de l’île de Vulcano à l’aube. Matteo Martelli

Une éruption imminente?

Prédire avec précision une éruption du volcan Vulcano reste pour l’instant impossible. Ce nouveau modèle révolutionnaire permet toutefois de surveiller son activité avec une grande précision.

«On peut imaginer une sorte de timelapse: on prend une image aujourd’hui, une autre dans un mois, et en cas de déformations, on peut intensifier la surveillance pour comprendre les variations du système hydraulique – en d’autres termes, savoir où se produira la prochaine éruption», précise Matteo Lupi.

Ce qui est certain, c’est que «Vulcano est un volcan actif: sa dernière éruption remonte à 1888-1890, et une nouvelle pourrait survenir à court terme – à l’échelle géologique.»

Grâce à l’intelligence artificielle, cette recherche – publiée dans la revue Nature CommunicationsLien externe – offre un nouvel espoir aux plus de 800 millions de personnes vivant à proximité des quelque 1500 volcans actifs de la planète. À l’avenir, des outils de ce type pourraient s’avérer essentiels pour anticiper l’activité volcanique à l’échelle mondiale, avec des plans d’évacuation dynamiques et adaptables.

Texte traduit de l’italien à l’aide de l’IA/op