Comment prévoir les coulées de boue volcaniques mortelles ?

Perché sur les pentes du Volcán de Fuego dans l'ouest du Guatemala, le géologue Gustavo Béjar López écoutait les battements du cœur de l'une des montagnes les plus agitées du monde, tout en creusant des trous pour y installer des sismomètres. Le Fuego, qui culmine à plus de 3 650 mètres d'altitude, entre en éruption toutes les quinze à vingt minutes, projettant des cendres et des projectiles incandescents dans les airs et laissant des traces sur la forêt tropicale qui recouvre ses pentes raides. 

« Il est difficile de saisir l'énergie nécessaire à un volcan pour continuer à cracher de la lave toutes les quinze à vingt minutes » soulève Gustavo Béjar López, explorateur National Geographic. « Parfois, on ne voit pas le cratère mais on entend l'explosion du volcan, on la ressent dans sa poitrine et on entend ensuite les rochers tomber ».

Tandis que les explosions de faible magnitude de l'Acatenango, un volcan inactif non loin, attirent les randonneurs, le Fuego est aussi capable de violences soudaines et cataclysmiques. En juin 2018, une éruption massive a provoqué des avalanches de gaz chaud et de lave qui ont détruit le village de San Miguel Los Lotes et ont coûté la vie à des centaines de personnes. Cependant, ce n'est pas la menace immédiate d'éruptions qui a d'abord attiré Gustavo Béjar López sur les pentes du Fuego en 2021. Il s'intéressait plutôt à un autre danger volcanique mortel et mal compris : les lahars.

Il s'agit de mélanges puissants de cendres, de débris et d'eau ayant la consistance du béton humide, qui dévalent les pentes, creusant de nouveaux canaux et transformant les lits de fleuves asséchés en conduits pour des coulées de boue destructrices. À présent, Gustavo Béjar López collabore avec des scientifiques locaux au Guatemala pour utiliser l'intelligence artificielle afin de mieux détecter les lahars et sauver des vies. 

DÉTECTER LES MENACES DE VOLCANS DANGEREUX

Bien que moins connus que les éruptions, les lahars sont extrêmement dangereux. En 1985, une éruption explosive du Nevado del Ruiz en Colombie a projeté du dioxyde de soufre chaud et des pierres volcaniques qui ont fait fondre les glaciers de la montagne, déclenchant une cascade de quatre grands lahars. S'écoulant le long des pentes à une vitesse de près de 50 kilomètres par heure, les énormes coulées de boue ont rapidement englouti le village d'Armero, situé à 60 kilomètres de là. Considérée comme la catastrophe volcanique la plus meurtrière causée par un lahar dans l'histoire, elle a fait au moins 20 000 morts. 

Toutefois, les lahars n'ont pas nécessairement besoin d'une éruption pour se produire. Ils sont généralement déclenchés par de fortes pluies ou la fonte des neiges, mêlées à une pente raide et des petits morceaux de débris instables. Ces coulées de boue représentent donc une menace considérable lors de la saison des pluies dans les régions tropicales. « Des lahars peuvent se produire 200 ans après l'éruption d'un volcan » explique Gustavo Béjar López, qui a grandi en Équateur. « Ils peuvent être déclenchés par le changement climatique, par une pluie plus importante et même par les ouragans, comme cela a été le cas au Guatemala dans le passé ».

Ces coulées de boue sont l'objet des recherches de Gustavo Béjar López depuis son doctorat à l'université technologique du Michigan (Michigan Tech). Il voulait résoudre un problème majeur : les lahars sont connus pour être difficiles à détecter en temps réel. Au plus fort de la saison des pluies au Guatemala, de mai à octobre, les lahars peuvent se produire quotidiennement sur le Volcán de Fuego mais seuls les plus importants sont signalés. 

Historiquement, la détection des lahars sur la montagne reposait sur une association de surveillance sismique manuelle et de confirmations visuelles sporadiques d'observateurs locaux. Si l'INSIVUMEH (Instituto Nacional de Sismología, Vulcanología, Meteorología e Hidrología, ou en français l'Institut national de sismologie, volcanologie, météorologie et hydrologie) du Guatemala fournit des avis techniques, le processus est souvent entravé par une visibilité limitée et le coût élevé de l'équipement spécialisé. « Cela signifie que les lahars peuvent passer inaperçus, ou être détectés et vérifiés principalement lorsqu'ils s'approchent de la population » explique Gustavo Béjar López. 

Grâce à des subventions de la Fondation nationale pour la science des États-Unis et de la National Geographic Society, Gustavo Béjar López et son équipe ont installé cinq stations sismiques et utilisé quatre autres stations existantes à différentes altitudes du Fuego. L'ascension était compliquée, d'autant plus qu'il fallait transporter le poids des batteries de voiture afin d'alimenter les stations et d'autres équipements. À chaque station, ils ont dû creuser un trou d'un mètre de profondeur pour installer le lourd capteur cylindrique. « Nous avons commencé avec une petite pelle. Au bout d'un moment, nous avons simplement utilisé nos mains, ce qui était très pénible car le sol était plein de cendres, de sable et de gros morceaux de bois ».

Gustavo Béjar López explique que les sismomètres « sont comme des micros pour le sol ». Ils détectent non seulement les vibrations provenant du volcan mais aussi celles générées par la végétation à la surface qui bouge à cause du vent, des bruits mécaniques produits à proximité et même des personnes qui marchent. Dans le cas des lahars, les sismomètres détectent l'énergie générée lorsqu'une coulée de boue interagit avec le chemin qu'il emprunte. 

Ces signaux ont fourni à Gustavo Béjar López des empreintes numériques de la taille, de la vitesse et de la concentration en sédiments des coulées. Il a optimisé et adapté un algorithme d'apprentissage automatique nommé « les k plus proches voisins » (k-PPV) afin de comparer les nouvelles données sismiques à un ensemble de données d'apprentissage soigneusement sélectionnées d'évènements précédemment qualifiés de lahars et de non-lahars. 

Le Fuego est un bon terrain d'entraînement pour un algorithme car les caractéristiques sismiques des lahars qui s'y produisent sont restées relativement stables pendant plusieurs années. Auparavant, les chercheurs pensaient que la relation entre la fréquence des signaux et le type de lahar était principalement définie par la concentration en sédiments, la taille des grains et la façon dont il s'écoule. L'étude récemment publiée par Gustavo Béjar López confirme cette hypothèse. Par exemple, des vibrations à basse fréquence sont associées à des coulées qui contiennent beaucoup de sédiments, se déplacent plus lentement et transportent des rochers plus gros le long de leur trajet. 

« Lorsque les lahars sont particulièrement importants, le signal peut être détecté jusqu'à vingt minutes avant que la coulée de boue n'atteigne la station de surveillance » explique Gustavo Béjar López. Il précise toutefois que cela dépend de la capacité de l'intelligence artificielle de distinguer correctement un lahar d'un autre type d'événement volcanique généré à l'intérieur de la montagne. L'algorithme était très efficace pour signaler des lahars de taille moyenne et importante mais avait du mal à identifier les lahars plus petits.

LES LAHARS, UNE MENACE AU-DELÀ DU GUATEMALA

L'algorithme k-PPV est facile d'utilisation, nécessite une capacité de traitement minimale et peut être utilisé sur des ordinateurs peu coûteux utilisant des systèmes de surveillance sismique existants. Cela en fait une solution idéale pour les régions aux ressources limitées comme le Guatemala. Gustavo Béjar López indique que l'INSIVUMEH prévoit d'intégrer l'algorithme dans son système de surveillance cette année. « L'idée est que le travail que nous effectuons au Guatemala puisse leur être utile ».

Et ses implications vont bien au-delà des pentes du Fuego. Parmi les volcans candidats à l'utilisation de l'intelligence artificielle, on retrouve le mont Rainier, près de Seattle, et le Cotopaxi, près de Quito en Équateur, car ils présentent le même risque de formation de coulées de boue dangereuses. Gustavo Béjar López espère un jour pouvoir collaborer avec d'autres géologues et tester son système basé sur l'intelligence artificielle sur ces volcans ainsi que sur d'autres. 

Gustavo Béjar López, qui est actuellement professeur invité à l'Albion College dans le Michigan, n'est pas le seul à utiliser l'intelligence artificielle en volcanologie, même s'il pense être le premier à l'avoir fait pour étudier les lahars du Fuego. 

L'intelligence artificielle est de plus en plus utilisée comme outil automatisé pour l'étude des volcans, qu'il s'agisse d'utiliser l'apprentissage profond pour la reconnaissance des formes, d'explorer les systèmes d'alerte précoce, la modélisation prédictive, la surveillance depuis l'espace, ou de comprendre le fonctionnement interne de ces montagnes. 

Pour Gustavo Béjar López, c'est un moyen de continuer à découvrir des volcans tout en accomplissant un travail utile et significatif. « Mon objectif est de nouer des liens avec d'autres scientifiques et organisations afin de collaborer et de moderniser ces outils de prévention des risques, non seulement pour les lahars, mais aussi pour la multitude d'autres menaces volcaniques auxquelles la société est aujourd'hui exposée ».