Plan photo rapproché sur les inondations et dégâts provoqués par un raz de marée dans un paysage rural asiatique.

L’estimation de la magnitude du séisme initial est déterminante pour l’efficacité des systèmes d’alerte aux tsunamis.

© IRD - Alain Leplaideur

Mieux prévoir les tsunamis grâce aux ondes gravitationnelles et à l'IA

Resumen

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Updated 02.06.2022

Des scientifiques français et américains sont parvenus à estimer instantanément la magnitude de grands séismes, en analysant les ondes gravitationnelles avec une intelligence artificielle (IA). Cette avancée devrait permettre d’améliorer les systèmes d’alerte aux tsunamis et d’éviter des drames comme celui de Fukushima.

Fulgurantes et discrètes, les ondes gravitationnelles constituent un précieux message d’alerte accompagnant la survenue des séismes importants. Générées par le mouvement d’une immense masse de roche, elles se propagent à la vitesse de la lumière, donc 100 000 fois plus vite que les ondes sismiques destructrices. Mais leur signal est si ténu, qu’il était jusqu’à présent impossible de l’utiliser. « Nous sommes parvenus à surmonter cet obstacle en développant un algorithme d’apprentissage profondEnsemble de techniques donnant la capacité aux machines d’apprendre automatiquement des règles à partir de données, en s’appuyant sur une architecture imitant le modèle des réseaux de neurones. (deep learning en anglais), qui a appris à interpréter ces données en temps réel pour estimer la magnitude et la localisation des puissants séismes », explique Andrea Licciardi, géophysicien post-doctorant à GEOAZUR et premier auteur de l'étude sur le sujet. Et cela pourrait changer la face de la détection des tsunamis.

 

Les ondes sismiques se propagent à 3,5 km par seconde pour les plus rapides et 7 km par seconde pour les plus destructrices, ce qui donne très peu de temps aux systèmes d’alerte pour prévenir les populations exposées.

© IRD - Juan Pablo Verdesoto

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Alerte par ondes sismiques

Actuellement, les systèmes d’alerte pour prévenir de l’imminence d’un séisme, sont basés sur la détection des ondes sismiques dont les plus rapides se propagent à 7 km par seconde. Selon le lieu de l’épicentre, la position du capteur le plus proche et celle des populations à protéger, l’alerte peut donner quelques précieuses secondes pour se mettre à l’abri, sous une table par exemple. Au Japon, où les tremblements de terre sont très fréquents, les habitants reçoivent ainsi un SMS d’alarme et la méthode fonctionne bien.

Selon la localisation de l’épicentre, celle du capteur le plus proche de lui et celle des populations à protéger, le système d’alerte sismique pourra donner quelques précieuses secondes pour se jeter à l’abri, sous une table par exemple.

© IRD - Juan Pablo Verdesoto

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Dans ce cas-là, l’utilisation des ondes gravitationnelles ne changerait pas fondamentalement la qualité de la détection : 100 000 fois plus vite que quelques secondes, ça ne donne quand même pas beaucoup de temps pour gagner des abris plus sûrs… Et surtout le signal des ondes gravitationnelles est si faible, qu’il ne peut être exploité que pour des séismes d’une magnitude supérieure à 8, ce qui est déjà potentiellement très destructeur. Mais cette faiblesse pourrait constituer un avantage décisif pour la détection des tsunamis…

Des systèmes imprécis

La survenue d’un séisme sous la mer peut engendrer un tsunami, dans les minutes ou les heures suivantes, en fonction de la distance de l’épicentre à la côte. Les systèmes d’alerte visent alors à évaluer la magnitude de l’événement et donc la taille de la vague associée.

Fautes de digues littorales suffisamment dimensionnées, les effets des tsunamis peuvent s’avérer redoutables pour les populations, les infrastructures et les biens.

© Laurent Dufy - Institut français de Pondichery

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L’enjeu est de mettre les populations à l’abri et d’arrêter les équipements sensibles si la submersion devait dépasser les digues de protection du littoral. Les infrastructures en question sont, par exemple, les chemins de fer et les centrales nucléaires. « Mais les systèmes d’alerte ont de grandes difficultés à estimer rapidement la magnitude des très forts séismes, ce qui constitue pourtant l’information essentielle pour affronter un tsunami, explique Quentin Bletery, géophysicien à GEOAZUR, à l’origine de l’étude. Pour des raisons à la fois instrumentales et fondamentales il n’est pas possible de faire la différence entre un événement de magnitude 8 ou de magnitude 9 à partir des premières ondes sismiques enregistrées, lesquelles tendent alors à saturer les instruments. »

Éviter les funestes méprises

Et les conséquences d’une telle méprise peuvent être funestes : lors du séisme de Fukushima en 2011, tous les systèmes annonçaient une magnitude 8, ce qui ne réclamait pas de précaution particulière parce que le pays est équipé de digues de 13 mètres de haut largement suffisantes pour les vagues de trois mètres attendues. Mais en réalité, la magnitude était de 9 et les vagues, hautes de plus de 15 m, ont tout emporté…

Les séismes sous-marins peuvent provoquer des tsunamis dévastateurs dont l’ampleur reste difficile à prévoir avec les moyens d’alerte existants.

© IRD - Alain Leplaideur

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« Notre algorithme fait très bien la différence entre un séisme de magnitude 8 et de magnitude 9 tout simplement parce que le signal gravitationnel du premier est trop faible pour qu’il le détecte, indique le scientifique. Et il est capable d’estimer la magnitude des très grands séismes en temps réel et de manière plus fiable, sans saturer donc comme cela arrive aux systèmes de détection des tsunamis existants. »
Les recherches ont prouvé leur efficacité sur les données enregistrées lors de tremblements de terre passés, événements pour lesquels on avait pu mesurer les limites des systèmes basés sur les ondes sismiques. « Testé au Japon, l’algorithme se révèle capable d’estimer la magnitude du séisme de Fukushima de manière plus rapide et plus fiable que tous les systèmes existants », indique Andrea Licciardi.
« La prochaine étape consistera à mettre en place l’analyse des ondes gravitationnelles dans des systèmes d’alerte opérationnels et ainsi mieux protéger les populations et les infrastructures », conclut Quentin Bletery.