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L’intelligence artificielle arrive en volcanologie // Artificial intelligence arrives in volcanology

Des scientifiques de l’Université de Grenade ont développé un algorithme d’apprentissage automatique très précis censé prévoir les éruptions volcaniques. [L’apprentissage automatique (machine learning en anglais) est un champ d’étude de l’intelligence artificielle qui vise à donner aux machines la capacité d’« apprendre » à partir de données, via des modèles mathématiques].

Les travaux de ces scientifiques, publiés récemment dans Frontiers in Earth Science, montrent que cette technologie peut permettre de mieux comprendre et prévoir l’activité volcanique. Au final, elle permettra une meilleure préparation aux catastrophes et réduira les risques volcaniques.
Les chercheurs ont analysé un vaste ensemble de données sismiques de l’Etna (Sicile) couvrant plusieurs décennies. En appliquant le modèle d’apprentissage automatique à des données historiques, ils ont pu identifier les signaux sismiques qui précédaient systématiquement les éruptions. La capacité prédictive de l’algorithme a ensuite été testée en utilisant des données sismiques plus récentes. On aboutit à un taux de précision impressionnant, de plus de 90 %.​  Les chercheurs insistent sur le fait que cette approche peut être appliquée à différents systèmes volcaniques à travers le monde.
En appliquant des techniques de traitement du signal aux enregistrements sismiques, les scientifiques ont fait apparaître quatre caractéristiques sismiques différentes, qui évoluent lorsque le système volcanique s’approche d’un épisode éruptif. Ils ont ensuite élaboré une matrice temporelle avec ces paramètres et attribué une étiquette à chaque instant temporel en fonction de l’état réel de l’activité volcanique (simple activité, situation pré-éruptive, situation éruptive). Restait à résoudre le problème du développement de systèmes d’alerte précoce transférables entre volcans. Pour cela, les auteurs de l’étude ont appliqué leur méthodologie à des bases de données associées à différents systèmes volcaniques, y compris des données concernant des épisodes explosifs et effusifs, enregistrées dans plusieurs scénarios volcaniques à conduits ouverts et fermés. Les volcans pris en compte sont l’Etna (Sicile), le Bezymianny (Kamchatka), Volcán de Colima (Mexique), le Mont St. Helens et l’Augustine. (États Unis).
On peut être optimiste quant à la capacité de l’algorithme d’apprentissage automatique à prévoir correctement les éruptions d’autres volcans actifs à travers le monde. Cette technologie peut faciliter l’approche des catastrophes en fournissant des alertes précoces et en permettant aux autorités de mettre en œuvre des plans d’évacuation et de prévoir d’autres mesures de sécurité.
L’étude montre le potentiel de l’apprentissage automatique et d’autres avancées technologiques dans la recherche géophysique. La capacité des algorithmes d’apprentissage automatique à analyser des informations complexes et à identifier des modèles cachés peut être utilisée dans un large éventail d’applications des sciences de la Terre, notamment la prévision des séismes et la modélisation climatique. Les chercheurs vont maintenant s’efforcer d’améliorer leur modèle et de tester sa pertinence dans divers environnements volcaniques.

Référence:

Universal machine learning approach to volcanic eruption forecasting using seismic features – Pablo Rey Devesa et al. — Frontier in Earth Science, June 26, 2024 – https://doi.org/10.3389/feart.2024.1342468

Source : The Watchers.

Episode éruptif sur l’Etna (Photo: C. Grandpey)

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L’utilisation de l’intelligence artificielle dans la prévision volcanique et celle d’autres phénomènes naturels semble prometteuse. Cependant, il faut garder à l’esprit que l’intelligence artificielle fait partie de la science exacte alors que les éruptions dépendent des caprices de la Nature qui sont souvent imprévisibles !

Des progrès ont été réalisées au cours des dernières décennies en matière de prévision éruptive, mais il reste encore beaucoup à faire pour déjouer les traquenards mis sur le chemin des scientifiques par Dame Nature. L’intelligence artificielle permettra peut-être aussi un jour d’empêcher que des populations se fassent tuer par de puissants séismes.

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Scientists at the University of Granada developed a very accurate machine-learning algorithm for predicting volcanic eruptions. Their work, published recently in Frontiers in Earth Science, demonstrates how this technique can assist us in better understanding and forecasting volcanic activity, which is a crucial step toward increasing disaster preparedness and decreasing volcanic dangers.

The researchers analyzed a large dataset of seismic recordings from Mount Etna gathered over several decades. By training the machine learning model on historical data, they were able to identify seismic signals that consistently preceded eruptions. The algorithm’s prediction capacity was then tested against more recent seismic data, and it achieved an impressive accuracy rate of more than 90%.​  The researchers insist that it is transferable to different volcanic systems around the world.

By applying signal processing techniques on seismic records, the scientists extracted four different seismic features, which usually change their trend when the system is approaching an eruptive episode. Then, they built a temporal matrix with these parameters and defined a label for each temporal moment according to the real state of the volcanic activity (Unrest, Pre-Eruptive, Eruptive). To solve the remaining problem of developing early warning systems that are transferable between volcanoes, the authors of the study applied their methodology to databases associated with different volcanic systems, including data from both explosive and effusive episodes, recorded at several volcanic scenarios with open and closed conduits: Mt. Etna, Bezymianny, Volcán de Colima, Mount St. Helens and Augustine.

The machine learning algorithm’s performance in properly predicting eruptions bodes well for its application to other active volcanoes across the world. This technology can help with disaster planning by providing early warnings and allowing authorities to enact evacuation plans and other safety measures on time.

The study demonstrates the greater potential of machine learning and other such technological advancements in geophysical research. Machine learning algorithms’ capacity to analyze complicated information and identify hidden patterns can be applied to a wide range of earth science applications, including earthquake prediction and climate modeling. The researchers intend to enhance their model further and test its relevance to various volcanic environments.

Reference:

Universal machine learning approach to volcanic eruption forecasting using seismic features – Pablo Rey Devesa et al. — Frontier in Earth Science, June 26, 2024 – https://doi.org/10.3389/feart.2024.1342468

Source : The Watchers.

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The use of artificial intelligence in volcanic prediction and the prediction of other natural phenomena looks promising. However, onse should keep in mind that artificial intelligence is part of exact science whereas eruptions depend on Nature’s whims which can be unpredictable !

Progress has been made in recent decades in eruptive prediction, but much remains to be done to thwart the traps put in the path of scientists by Mother Nature. Artificial intelligence may one day make it possible to prevent populations from being killed by powerful earthquakes.

La sismicité sur le flanc sud du Kilauea (Hawaï) // Seismicity on Kilauea’s south flank (Hawaii)

Le flanc sud de la Grande Île d’Hawaï est l’une des régions les plus actives d’un point de vue sismique aux États-Unis. Chaque année, l’Observatoire des Volcans d’Hawaï, le HVO, enregistre des milliers de secousses sous cette partie de l’île.

 

Exemple de sismicité sur le flanc sud du Kilauea en juillet 2020 (Source : USGS)

Au cours du processus éruptif, le magma reste stocké à l’intérieur des volcans, ou bien il perce la surface de la Terre. Au cours de l’édification de la Grande Île sous la poussée du magma, l’énergie produite par les contraintes s’accumule et se libère à un moment ou un autre, souvent sous forme de séismes. Parfois, ces séismes peuvent être assez puissants, comme celui de 1975 qui avait une magnitude de M7.2, ou celui de 1989 (M6.1) au niveau de Kalapana.
Les séismes sur le flanc sud du Kilauea se produisent généralement sur la faille Hilina, un système de failles de « décollement » (detachment fault en anglais) qu’il est facile d’observer à la surface avec les falaises (pali en hawaiien) abruptes le long de la côte sud-est de l’île. Ce système de failles se prolonge dans les profondeurs de la Terre et peut produire de puissants séismes lorsque les roches glissent les unes contre les autres le long de failles qui sont presque verticales.

Vue de Hilina pali (Crédit photo : HVO)

Le glissement au niveau du décollement peut être provoqué par la gravité et les variations de pression qui se produisent à l’intérieur du volcan situé au-dessus. Au cours des 50 dernières années, il y a eu trois séismes de décollement avec des magnitudes supérieures à M6.0 sur le flanc sud du Kilauea. Le plus récent, avec une magnitude de M6.9 est survenu le 4 mai 2018. Ce séisme a été causé par une intrusion magmatique dans la zone du rift Est (East Rift Zone) du Kilauea, qui a débouché sur l’éruption de 2018 dans la partie inférieure de cette zone de rift.
Le décollement le long de la faille Hilina a également provoqué un séisme de M6.2 en 1989. Cet événement a fait des blessés, détruit ou endommagé des maisons dans le district de Puna, provoqué des glissements de terrain qui ont bloqué les routes et généré un petit tsunami.

Le séisme le plus destructeur s’est produit en 1975. Avec une magnitude de M7,7, il fut le plus puissant séisme enregistré à Hawaï depuis 1868. Il a provoqué plusieurs mètres de déplacement horizontal et vertical le long de failles dans les régions du sommet et du flanc sud du Kilauea. Ce séisme a causé des dégâts aux bâtiments et aux routes, ainsi qu’un tsunami qui a fait deux morts dans la région.

 

Carte illustrant les mouvements de failles sur le flanc sud du Kilauea (Source : USGS)

Ces séismes ont été ressentis par de nombreux habitants au sein de la population hawaiienne. L’USGS a mis en place un site web intitulé « L’avez-vous ressenti ? » que les habitants et les scientifiques peuvent utiliser pour expliquer comment ils ressentent les séismes à titre individuel. Après avoir collecté les informations auprès des personnes ayant ressenti un séisme, les géologues créent des cartes – « Community Internet Intensity Maps » ou CIIMS – qui montrent ce que les gens ont vécu ainsi que l’étendue des dégâts. Alors que la magnitude d’un séisme est définie à partir des données fournies par le réseau d’instruments, son intensité est une mesure des secousses en provenance du réseau de personnes qui décrivent ce qu’elles ont ressenti.

 

Exemple de carte CIIMS produite à l’occasion d’un séisme à Kīholo Bay sur la côte NO de la Grande Île (Source : USGS)

On demande souvent aux géologues du HVO si les séismes sur le flanc sud de la Grande Île d’Hawaï ont une relation ou un effet direct sur les éruptions le long de la zone du rift Est du Kilauea. Il semble qu’il n’y ait pas d’effets immédiatement évidents sur l’éruption. Ces séismes font partie des processus volcaniques à Hawaï. Cependant, des recherches plus approfondies seront nécessaires pour bien comprendre les relations et les effets des événements sismiques individuels ou des séquences sismiques avec les éruptions. Ces investigations s’inscrivent dans le cadre de la mission du HVO.
Source : USGS/HVO.

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The south flank of Hawaii Big Island is one of the most seismically active regions in the United States. Each year, the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) records thousands of earthquakes occurring beneath the flank. Magma enters into the volcanoes and is either stored within the volcanoes or erupted onto the Earth’s surface. As the island’s land mass builds up, strain energy accumulates and is subsequently released, often as earthquakes. At times, these earthquakes can be quite large, like the M7.2 earthquake in 1975 or the M6.1 earthquake in 1989 beneath Kalapana.

Earthquakes that occur on Kilauea’s south flank typically happen on either the Hilina fault system or the fault called the “décollement.” The steep faults of the Hilina fault system are easy to visualize as they appear on the surface as steep pali (the Hawaiian word for cliffs) along the southeast coast of the island. These steep faults continue through the subsurface and can produce large earthquakes as rocks along the nearly vertical faults slip against each other.

The décollement, or detachment fault, sits beneath the Hilina fault system. This fault is nearly horizontal beneath Kilauea’s south flank at the interface between the island and the ocean floor. This interface can produce large earthquakes.

Slip along the décollement can be produced as a combination of gravity and changes in pressure occurring in the volcano that sits above. In the past 50 years, there have been three décollement earthquakes above magnitude 6 on Kilauea’s south flank. The most recent was an M6.9 event that occurred on May 4th, 2018. This earthquake was caused by the magmatic intrusion in Kilauea’s East Rift Zone, which led to the 2018 eruption in the Lower East Rift Zone.

The décollement also produced an M6.2 earthquake in 1989. This event caused injuries, destroyed or damaged houses in the Puna District, caused landslides that blocked roads and generated a small local tsunami.

The most destructive of the three events was in 1975. With a magnitude M7.7, it was the largest earthquake in Hawaii since 1868. It caused several meters of horizontal and vertical movement along faults in the summit and south flank regions. The earthquakes caused building and road damage, along with a tsunami that resulted in two local fatalities.

Many people report feeling these earthquakes. The USGS has created a “Did you feel it?” website that civilians and scientists alike can use to report how they individually feel earthquakes. After collecting information from people who felt an earthquake, geologists create maps – “Community Internet Intensity Maps” or CIIMS – that show what people experienced and the extent of damage. While the magnitude of an earthquake is the size derived from data collected by the network of seismic instruments, the intensity of an earthquake is a measure of shaking derived from the network of people reporting how they felt it.

HVO geologists are often asked whether the earthquakes on the south flank of Hawaii Big Island have any direct relation or effect on the Kilauea East Rift Zone eruptions. It looks as if there are no immediately obvious effects on the eruption. These earthquakes are part of the active volcanic processes in Hawaii. However, much further investigation is required to fully understand the details of the relationships, and of the effects of individual earthquake events or earthquake sequences, to observations of the eruption. These investigations are part of the mission of the Hawaiian Volcano Observatory.

Source : USGS / HVO.

Nouvelle hausse d’activité sur le Kilauea (Hawaii) // New increase in activity at Kilauea Volcano (Hawaii)

Dans un bulletin spécial, le HVO indique que le Kilauea n’est pas en éruption, mais qu’un essaim sismique a commencé au sommet dans l’après-midi du 27 juin 2024 avec des événements de M 2,9 et M 3,4. Les 300 séismes enregistrés le 28 juin représentent plus de 3 fois le niveau de sismicité d’il y a plusieurs jours.
L’inflation dans la zone sommitale et l’Upper Rift Zone continue d’être modérée, comme c’est le cas depuis la fin de l’éruption du 3 juin. A noter que cette inflation a toutefois ralenti. Les inclinomètres installés dans la caldeira au nord-ouest du sommet et à Sand Hill au sud-ouest du sommet ont enregistré environ 1 microradian d’inflation en 24 heures.
Le HVO ajoute que « toute hausse significative de la sismicité et/ou de la déformation [de l’édifice volcanique] pourrait entraîner une nouvelle éruption dans ou à proximité de la région sommitale, mais il n’y a aucun signe d’éruption imminente pour le moment.[…] Il n’est pas possible de dire si cette hausse de l’activité du Kilauea entraînera une intrusion ou une éruption dans un avenir proche, ou si elle se poursuivra simplement sous la forme d’une hausse de l’activité sismique.»

Vue de l’éruption fissurale du 3 juin 2024 (Crédit photo: HVO)

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In a special update, HVO indicates that Kilauea is not erupting, but a sesimic swarm began at the summit in the afternoon of June 27th, 2024 with M 2.9 and M 3.4 quakes. The 300 quakes recorded on June 28th are more than 3 times the seismic rate from several days ago.

Inflation in the summit and upper rift zones continue to be moderately elevated, which as has been persistent since the end of the June 3rd eruption, but rates have slowed. Tiltmeters at the caldera northwest of the summit and Sand Hill southwest of the summit each recorded approximately 1 microradian of net inflation in 24 hours.

HVO adds that « any substantial increases in seismicity and/or deformation could result in a new eruption within or near the summit region, but there are no signs of an imminent eruption at this time. […] It’s not possible to say whether this increase in activity at Kilauea will lead to an intrusion or eruption in the near future, or simply continue as seismic unrest. »

Islande : le rapport officiel du Met Office // Iceland : the Met Office’s official report

Après les désaccords entre les volcanologues islandais et la confusion que cette situation a générée ces derniers jours, je pense qu’il est utile de se référer aux rapports du Met Office pour avoir une bonne idée de la situation sur la péninsule de Reykjanes,
D’un point de sue sismique, 80 événements ont été enregistrés au niveau de la chambre magmatique sous le secteur de Svartsengi au cours des derniers jours. C’est à peu près le même nombre qu’avant le week-end. On a relevé moins de séismes ce week-end, mais les vents violents qui ont soufflé ont considérablement réduit la sensibilité des appareils dans la zone. Il est donc fort probable que l’activité soit restée inchangée tout le week-end.
S’agissant de la déformation du sol, il y a encore des signes d’inflation et rien n’indique que l’accumulation de magma ait ralenti depuis avant le week-end. Les données de déformation montrent un soulèvement continu du sol dans le secteur de Svartsengi, ce qui indique que le magma continue de s’accumuler en profondeur. Les modélisations estiment qu’environ 18 millions de mètres cubes se sont accumulés depuis le 16 mars 2024, date du début de la dernière éruption. Le volume total de magma accumulé est désormais supérieur à celui des derniers événements. Cela signifie que la pression dans le système continue d’augmenter et on peut donc en déduire qu’il existe un risque réel de nouvelle éruption. Il est toutefois difficile de dire quand il se produira, mais le précurseur pourrait être très court.

La prochaine éruption – si éruption il y a – se produira-t-elle le long de la chaîne de cratères de Sundhnúkur? Personne ne le sait.  (Crédit photo : Hörður Kristleifsson)

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After the disagreements between Icelandic volcanologissts and the confusion this disorder has created during the past days, I think it is useful to refer to the Met Office’s reports to assess the situation on the Reykjanes Peninsula,

A total of 80 earthquakes have been recorded in the magma chamber beneath Svartsengi in the last day. This is about the same number as was measured in the area before the weekend. Fewer earthquakes were measured this weekend, but a considerable windstorm reduced the sensitivity of the measurements in the area. It is therefore most likely that activity was similar all weekend.

There are still signs of inflation, and there is no evidence that magma accumulation has slowed since before the weekend. Deformation data shows continued uplift in the Svartsengi area, indicating that magma continues to accumulate at depth. Model calculations estimate that about 18 million cubic meters have accumulated there since March 16th 2024 when the last eruption began. The total volume of magma accumulated is more now than in recent previous events. This means that pressure in the system continues to increase and therefore it can be concluded that there are still considerable odds of a new eruption. The timing of the event is however quite uncertain, but the precursor could be very short.