Trésor de données du Cervin

Lors de la canicule de l'été 2003, un éboulement s'est produit au Cervin, qui a effrayé le public et les chercheurs : 1500 mètres cubes de roche se sont détachés de l'arête du H?rnli, ce qui correspond à peu près au volume de deux maisons individuelles. Dans la roche abrupte, il y avait un trou béant recouvert de glace. Les spécialistes ont rapidement compris que la chaleur record avait réchauffé la roche jusqu'à de grandes profondeurs et fait fondre la glace contenue dans les pores et les fissures. Le ciment qui maintenait les masses rocheuses ensemble a donc soudainement disparu.

Cet éboulement a marqué le début du projet PermaSense, un projet de recherche inhabituel et multidisciplinaire mené par des géoscientifiques et des ingénieurs de l'ETH Zurich et d'autres institutions, dont les universités de Zurich et de B?le. Le projet a démarré en 2006 avec l'objectif de permettre des mesures et des observations qui n'étaient pas possibles à l'époque. A l'aide d'appareils et de technologies de pointe, les chercheurs voulaient collecter des données de mesure d'une quantité et d'une qualité jusqu'ici inégalées dans un pergélisol escarpé.

Non seulement ils y sont parvenus, mais les chercheurs ont largement dépassé leur objectif, comme ils le rapportent désormais dans la revue spécialisée "Earth System Science Data". L'étude décrit un ensemble unique de données à haute résolution couvrant 10 ans, que les scientifiques ont collecté en haute montagne sur l'arête du H?rnli du Cervin, à 3500 mètres d'altitude. Dix-sept types de capteurs différents, répartis en 29 points sur l'arête et sur le site d'effondrement, ont fourni 115 millions de points de données individuels.

"Ce jeu de données est probablement l'un des plus longs, des plus denses et des plus divers de toute l'histoire de la recherche sur le pergélisol", déclare non sans fierté Jan Beutel, chercheur principal à l'Institut d'informatique technique et des réseaux de communication de l'ETH Zurich. Beutel a été et reste la force motrice de ce projet.

Gr?ce à l'utilisation de capteurs sans fil ultramodernes, les chercheurs ont réussi à obtenir de très nombreuses données de haute qualité, à rendre ces données disponibles en temps quasi réel et à surveiller et contr?ler précisément les expériences en cours. "L'analyse combinée des mesures à long terme de différents systèmes de mesure permet d'approfondir la compréhension des processus qui peuvent conduire à la déstabilisation des parois rocheuses", explique Samuel Weber, partenaire de Beutel dans le projet et actuellement post-doctorant à l'Université technique de Munich.

Le réseau de capteurs comprend notamment un appareil photo reflex automatique qui prend des photos du site de démolition toutes les deux minutes ; des mesures de distance dans les fissures de la roche (crackmètre) en font partie, qui mesurent l'élargissement des fissures et le décalage des blocs de roche entre eux. Les températures sont mesurées à différentes profondeurs de la roche, mais aussi à la surface. Des inclinomètres et des capteurs GPS mesurent en permanence l'inclinaison vers l'aval des différentes têtes de rocher et de l'ensemble de l'arête. Ces dernières années, les chercheurs ont complété leur famille de capteurs par des appareils de mesure sismique et acoustique.

Depuis l'arête du H?rnli, les données de mesure parviennent par radio au Petit Cervin et de là, via Internet, pratiquement en temps réel dans un centre de calcul de l'ETH Zurich. Elles y sont collectées, analysées et évaluées, depuis maintenant 10 ans, en permanence et presque sans interruption, été comme hiver, à toute heure de la journée.

Mesurer les résonances des rochers

"C'est surtout la sismologie qui nous a permis, au cours des trois dernières années de la campagne de mesure, de mesurer ce que nous voulions dès le début : les chutes de pierres et les éboulements. Nous avons ainsi pu reconna?tre dans les signaux provenant de la montagne des modèles qui permettent de saisir quantitativement de tels événements", explique Beutel.

Gr?ce aux capteurs sismiques, ils ont réussi à enregistrer de très nombreux événements - comme la formation de fissures dans les roches, invisibles au départ - que les capteurs précédents ne pouvaient pas détecter. "Les capteurs sismiques enregistrent beaucoup plus de choses et offrent une densité d'informations et des possibilités d'analyse que nous ne pouvions pas imaginer auparavant", explique l'ingénieur en électricité. L'inconvénient de ces capteurs : ils nécessitent des c?bles, plus de courant, des trous plus profonds qui ont d? être forés. Et ils enregistrent aussi des signaux qui ne proviennent pas de la montagne, comme les pas des alpinistes sur leur chemin vers le sommet.

Les signaux parasites des alpinistes

Les chercheurs ont d'abord d? éliminer ce bruit de fond des données, à l'aide de l'apprentissage automatique et d'algorithmes intelligents programmés directement sur les capteurs sans fil par les doctorants de l'ETH actuellement impliqués dans le projet. Pour vérifier ces algorithmes, ils ont notamment utilisé les données d'occupation de la cabane H?rnli, où les alpinistes du Cervin passent la nuit. Les données d'occupation servent de point de repère pour savoir quand des personnes sont en route vers la montagne et quels "signaux perturbateurs" elles émettent.

Les analyses des données sismiques ainsi nettoyées ont montré à Beutel une image intéressante : "Les vibrations de résonance qui se produisent dans les roches varient fortement au cours de l'année", en raison du dégel et de la congélation en montagne. De nombreuses fissures et fentes sont remplies de glace et de sédiments. Ce mélange est gelé en hiver, dur comme de la pierre. En été, il dégèle et la liaison dans les fissures se modifie. La partie libre de la roche devient ainsi plus grande, la roche vibre à une fréquence plus basse. Inversement, en hiver : Ici, il vibre à une fréquence plus élevée.

"Cela fonctionne comme une guitare - selon l'endroit où l'on saisit le manche, on modifie les longueurs d'oscillation des cordes, ce qui produit des sons différents", explique Beutel.

Les modèles de vibrations annoncent-ils l'effondrement des roches ?

Des changements très rapides et abrupts de tels modèles d'oscillation indiqueraient que la stabilité d'une partie de la roche s'est rapidement modifiée, explique Beutel. Si les fréquences diminuent rapidement, cela peut signifier qu'un système de fissures existant s'est fortement approfondi ou ouvert. Et cela signifie alors un risque accru en termes d'éboulement ou d'effondrement de grande ampleur.

"Nous pouvons donc, gr?ce à des mesures sismiques et acoustiques couplées à des mesures de la largeur des fissures et à des photographies du site d'étude, illustrer assez précisément la manière dont le pergélisol se modifie et faire des prédictions sur les endroits où quelque chose pourrait se produire", explique Beutel, "je considère que c'est l'un des meilleurs résultats que nous ayons obtenus dans le cadre de PermaSense".

Celles-ci sont dues à son partenaire de projet Samuel Weber, qui a remis sa thèse de doctorat pionnière sur le sujet à l'Université de Zurich au cours des trois dernières années, explique Beutel, mais aussi à l'implication du Service sismologique suisse autour du professeur de l'ETH Donath F?h, qui a apporté ses connaissances en matière de sismologie.

Fissuration brutale de fissures

La campagne de mesure au Cervin n'est pas terminée. Elle se poursuit pour l'instant. Beutel souhaiterait transférer le savoir-faire de "Horu" à d'autres projets. Les connaissances techniques et géologiques acquises pourraient être utilisées pour la prévision de catastrophes naturelles dans des endroits critiques en terrain escarpé ou en montagne. Il voit par exemple une possibilité d'application au Piz Cengalo dans le Bergell. En été 2017, un énorme éboulement de plusieurs millions de mètres cubes s'y est produit, entra?nant la mort de plusieurs personnes. Les laves torrentielles qui l'accompagnaient ont détruit une partie du village de Bondo. Les experts s'attendent à ce que d'autres éboulements se produisent sur cette montagne. C'est pourquoi ils surveillent la montagne 24 heures sur 24 à l'aide de radars. Mais les mesures in situ font encore défaut.

Beutel pourrait s'imaginer installer et exploiter un réseau de capteurs comme celui du Cervin au Pizzo Cengalo. Il voit cela comme une chance unique d'en apprendre davantage sur ce qui se passe dans le pergélisol escarpé, notamment sur les mécanismes qui rendent la roche gelée escarpée instable et la font s'effondrer. "En fin de compte, nous aimerions également utiliser de tels capteurs en réseau, tels que nous les avons développés au cours d'années de travail multidisciplinaire, pour la prévision des dangers naturels."