Sera-t-il un jour possible de prévoir les éruptions volcaniques ?

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Le 15 juin 1991, aux Philippines, le volcan Pinatubo s’autodétruit. Son éruption, qui a commencé trois jours auparavant, atteint son paroxysme dans une explosion colossale. Des millions de tonnes de roches fondues et de gaz incandescents sont projetées dans les airs et retombent sur les flancs stérilisés de la montagne sous forme de coulées pyroclastiques. Le sommet est pulvérisé, laissant place à un cratère de 2,5 kilomètres de diamètre.

Plus de 800 personnes trouvent la mort dans cette éruption, la plupart à cause de l’effondrement des toits sous le poids de la pluie chargée en cendres. Mais le bilan aurait pu être encore plus dramatique : près de 250 000 personnes vivaient à l’ombre du volcan, dans les villes environnantes.

Dès le mois d’avril, le Pinatubo avait commencé à trembler et à cracher de la vapeur. Des scientifiques américains et philippins avaient alors déployé tout un réseau d’instruments pour suivre le tumulte intérieur du volcan.

« C’était un état des lieux très rapide, et on ne savait pas grand-chose de ce volcan », rappelle Mike Poland, actuel responsable scientifique à l’observatoire du volcan Yellowstone du service géologique américain (USGS). « Mais ce premier coup d’œil nous a fait comprendre que quand ce volcan exploserait, ça allait être énorme. »

panache de l’éruption du Pinatubo volcan

Sur la base de cette conclusion, une évacuation fut décidée en juin, lorsque de la cendre et de la lave commencèrent à s’échapper des flancs du Pinatubo. Celle-ci fut ordonnée le 10 juin, à peine quelques jours avant le cataclysme.

Cette mesure sur le fil a sauvé de nombreuses vies. Mais elle tenait plus du pari éclairé que de la prévision météo fiable. Pour les scientifiques, il était impossible de prédire qu’une éruption explosive se produirait le 12 juin, ni comment elle allait évoluer.

Encore loin des prévisions météo

Sauf quelques rares exceptions, cette incertitude est la norme pour tous les volcans surveillés. Pourtant, la volcanologie a fait de nombreux progrès depuis l’explosion du Pinatubo. Les instruments sont plus avancés, l’apprentissage automatique a rendu l’interprétation des données plus efficace, et les chercheurs comprennent beaucoup mieux la « plomberie magmatique » qui alimente le volcanisme. En tant que volcanologue de formation qui écrit de nombreux articles sur le sujet, tout cela m’interroge : à quel point sommes-nous proches de pouvoir prévoir le comportement des volcans de la même façon que nous prévoyons la météo ?

Actuellement, il est possible de savoir quelques jours à l’avance qu’une tempête d’une ampleur donnée va s’abattre sur telle ville. J’ai donc posé la question suivante aux spécialistes autour de moi : les scientifiques seront-ils un jour capables de dire si, par exemple, dans une semaine, tel volcan aura 80 % de chance d’entrer en éruption, et comment cette éruption va se dérouler précisément (avec ou sans coulées de lave, avec quel degré d’explosivité, accompagnée ou non de nuées ardentes, sur quelle face, etc.) ? J’ai rencontré du scepticisme, mais aussi un degré d’optimisme surprenant. « La réponse courte est oui – sinon je ne ferais pas ce métier », affirme Diana Roman, volcanologue à l’institut Carnegie pour la recherche scientifique, à Washington.

La météo affecte bien plus les gens que le volcanisme : elle concerne tout le monde, tout le temps. Mais près de 800 millions de personnes vivent également dans un rayon de 100 kilomètres autour d’un volcan actif. Et quelques (très rares) éruptions peuvent avoir un impact sur la planète entière.

Si météo et volcanisme sont tous deux des systèmes complexes que l’on cherche à comprendre, leur prévision pose des problèmes bien différents.

Un phénomène rare et hétéroclite

Les hommes essaient d’anticiper la météo depuis des millénaires en observant le ciel, mais la prévision météorologique scientifique moderne est une invention récente. Les premières équations mathématiques à la base des modèles actuels ont été établies au début du XX^e siècle. Aujourd’hui, en partant d’un système complexe – l’atmosphère, les océans et les continents terrestres –, les météorologues sont capables de faire des prévisions fiables jusqu’à deux semaines à l’avance.

« La principale différence entre le volcanisme et la météo en termes de prévisions, c’est que la météo est un phénomène continu », explique Jenni Barclay, volcanologue à l’université de Bristol, en Angleterre. L’atmosphère est toujours visible et mesurable par les météorologues. Au contraire, le magma est enfoui à des kilomètres sous la croûte terrestre, et les volcans les plus actifs entrent en éruption une fois toutes les quelques décennies tout au plus.

En outre, chaque volcan est unique. L’architecture du réseau de canaux souterrains qui conduisent le magma jusqu’à la surface, la composition chimique du magma, la cadence des éruptions, le style éruptif… tous ces paramètres varient d’un volcan à l’autre. Et il en va de même pour les causes qui déclenchent les éruptions. Le fait qu’une éruption connaisse une fin paroxystique ou retombe comme un soufflet va dépendre de la température et de la pression dans le réservoir de magma, de sa profondeur, de la résistance de la roche, du contenu en gaz, en cristaux ou en eau du magma, ou encore du mouvement des plaques tectoniques…

« La géologie est chaotique », résume Marius Isken, géophysicien au centre de recherche en géoscience Helmholtz à Potsdam. Mais il doit y avoir une logique enfouie dans ce chaos. Peut-on la trouver ?

Mettre de l’ordre dans le chaos géologique

J’imagine les volcans comme d’immenses orchestres composés de centaines d’instruments différents. Aujourd’hui, nous savons déjà en entendre la musique : les sismomètres sentent la roche se fracturer au passage du magma qui remonte ; les capteurs au sol et les satellites permettent de suivre les mouvements de la croûte, qui indiquent où il coule ; et les détecteurs de gaz révèlent quand il approche de la surface, où la baisse de pression libère des vapeurs toxiques.

Mais pour prévoir les éruptions, cela ne suffit pas. Le défi est de savoir comment cette symphonie va se développer jusqu’à son climax, bien avant qu’elle ne commence.

Pour le moment, pour les volcans les mieux suivis, les volcanologues peuvent au mieux offrir non pas une prévision, mais une sorte d’avertissement sérieux. Bien souvent, les systèmes d’alerte – y compris ceux utilisés par l’USGS – avertissent le public si un volcan montre des signes d’activité croissants ou accrus.

Mais cela ne signifie pas forcément qu’une éruption est imminente. « Quand on perçoit une activité volcanique qui ressemble à des signes avant-coureurs d’éruption, cela ne se termine véritablement en éruption que dans 50 % des cas », indique Jessica Johnson, géophysicienne à l’université d’East Anglia, en Angleterre.

Certains volcans préfèrent même nous prendre par surprise, même quand ils sont bardés d’instruments. Le magma peut chauffer des poches d’eau sous haute pression piégées juste sous la surface. La rupture de ces dernières provoque alors une dangereuse explosion de vapeur, qui peut libérer à son tour le magma. Ce genre d’éruption, semblable à une mine qui exploserait à côté d’une montagne de dynamite enfouie, survient souvent sans aucun signe d’alerte.

Il devient toutefois possible de rassembler plus d’indices prédictifs lorsqu’un volcan est étudié sur plusieurs cycles éruptifs. C’est par exemple le cas de l’Etna ou du Stromboli, en Italie, qui crachent régulièrement des fontaines de lave. « Nous avons des systèmes capables de nous dire que le volcan va entrer en éruption avec quelques heures d’avance », explique Maurizio Ripepe, géophysicien à l’université de Florence.

Pour ce qui est du Kīlauea, à Hawaii, ou des volcans de la péninsule de Reykjanes, en Islande, il est même possible de suivre la migration souterraine du magma avec une extrême précision. En utilisant la sismologie et les mesures de déformation du sol, les chercheurs peuvent prédire exactement où le magma va émerger sous forme de lave dans l’heure à venir.

éruption du Fagradalsfjall, islande volcan

Mais des prévisions aussi précises restent « assez inhabituelles », nuance Tom Winder, sismologue spécialiste des volcans à l’université d’Islande. Il s’agit en effet de volcans très actifs qui présentent peu de risques d’événements explosifs majeurs. Les communautés qui vivent à proximité ont aussi généralement appris à s’en méfier. Dans la plupart des autres cas, les alertes les plus précoces, qui interviennent environ une heure avant une éruption, ne sont pas toujours suffisantes pour mettre tout le monde en sécurité.

À la recherche d’un modèle physique commun

La prévision des éruptions est une tâche ardue, car les volcans ne peuvent pas être réduits à des modèles simples. Ce sont des monstres géologiques baroques accompagnés d’un réseau souterrain labyrinthique. Il y a vingt ans, lors de ma première année d’étude en géosciences, un professeur m’a dit que prédire où et quand la prochaine éruption majeure aurait lieu était un rêve illusoire. Sous-entendu : les volcans sont trop singuliers et capricieux pour avoir grand-chose en commun les uns avec les autres.

Ce commentaire m’avait paru étrange, même à l’époque. Après tout, les volcans sont tous de grosses marmites contenant une pression et une chaleur immense. Leur structure peut varier. Mais, à chaque fois, c’est la même histoire : de la roche fondue coule à l’intérieur jusqu’à ce que quelque chose se fissure, casse, puis explose.

Chaque scientifique à qui j’ai parlé s’accordait pour dire qu’il manque encore une pièce clé au puzzle de la prévision des volcans. Qu’est-ce qui fait passer un réservoir de magma d’un état stable à une rupture catastrophique ?

« Nous ne comprenons même pas totalement la physique à l’œuvre, explique ainsi Diana Roman. Il doit pourtant y avoir des principes communs. » Si les équations sous-jacentes étaient découvertes, peut-être pourrait-on les appliquer à tous les volcans et en tirer des valeurs qui nous diraient avec précision quand et sous quelle forme la prochaine éruption aura lieu.

En s’appuyant sur plus d’un siècle d’observations, les scientifiques ont déjà identifié certaines de ces équations maîtresses, mais elles ne s’appliquent qu’après le début de l’éruption. Les coulées de lave et les nuées pyroclastiques sont ainsi bien modélisées par les équations de Navier-Stokes, qui décrivent l’écoulement de fluides de toutes sortes, tandis que l’équation de la chaleur révèle comment elles refroidissent. De nos jours, ces modèles physiques permettent aux experts de prédire, pour certains volcans spécifiques, où émergeront différents types de fluides, jusqu’où iront-ils et à quelle vitesse.

Ce travail sauve des vies, mais ce n’est qu’une petite partie du défi de la prévision. Pour Mike Poland, en reprenant l’analogie de la météo, cela revient à dire : « Une fois que la pluie tombe, on peut prévoir quelles zones seront inondées. » Mais savoir quand la tempête commencera demande de s’intéresser à la physique souterraine des réservoirs de magma.

Ancrer la théorie physique au terrain

Pour le moment, les alertes reposent sur l’identification de signaux géophysiques mesurables qui précèdent les éruptions tels que l’augmentation de l’activité sismique. Mais une corrélation n’est pas suffisante pour produire une prévision, surtout si ces signaux ne sont pas réguliers, ce qui est souvent le cas. Les chercheurs tentent donc d’aller au-delà et s’intéressent aux relations de cause à effet qui sont en jeu. « Si on comprenait physiquement à quoi correspondent ces signaux, on ne serait plus bloqués lorsque leurs motifs changent », explique Jessica Johnson.

La géophysicienne fait partie d’un nouveau projet baptisé Ex-X : Prévoir l’imprévu, piloté par l’université de Bristol, qui vise à étudier les mécanismes qui conduisent à des emballements volcaniques dangereux. Les scientifiques des différents instituts impliqués, dont l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP), se concentrent sur les volcans des Caraïbes orientales. Très actifs, ils peuvent passer rapidement d’un mode effusif avec coulées de lave à des éruptions soudaines, explosives et catastrophiques. La Soufrière de Saint-Vincent, sur l’île de Saint-Vincent, dans les Petites Antilles, en est un exemple récent. En décembre 2020, le volcan s’est mis à expulser une grande quantité de lave visqueuse. Puis, en avril 2021, plusieurs explosions ont projeté des coulées pyroclastiques le long de ses flancs.

Dans le cadre de ce projet, des centaines de sismomètres ainsi qu’un réseau de câbles de fibre optique seront utilisés pour enregistrer le moindre petit séisme pendant les périodes d’activité comme de tranquillité. Ce suivi sera facilité par des programmes d’apprentissage automatique entraînés à identifier des variations infimes dans la bande-son sismique de ces volcans. Ces dernières années, ces programmes ont été utilisés pour analyser de très larges bases de données, en bien plus grande quantité et plus efficacement que ne le peuvent des chercheurs seuls. Ce travail a déjà révélé une myriade de galeries magmatiques cachées sous les volcans, tout en permettant de suivre, presque en temps réel, la course du magma à travers la croûte.

L’idée du projet Ex-X est d’obtenir un niveau de détails inédit sur la façon dont d’infimes changements dans le comportement et la position du magma mènent à des éruptions. Ces éléments pourront, à leur tour, éclairer les processus physiques impliqués. Tous ces volcans des Caraïbes, aussi divers soient-ils, pourraient ainsi être décrits par un jeu d’équations de dynamique des fluides communes.

Décrypter la chimie des entrailles des volcans

Cependant, la sismologie ne suffira pas à elle seule. « Nous ne comprenons pas encore ce qui se passe exactement dans une chambre magmatique », admet Mike Poland. Qu’est-ce qui provoque la formation incontrôlable de bulles dans le magma, propulsant la roche en ébullition à travers la croûte comme un soda effervescent ? Quelle combinaison de roche fondue, de cristaux et de gaz est susceptible de déclencher une éruption ? Qu’est-ce qui fait basculer une éruption d’un épanchement de lave à une explosion de roches et de cendres ?

La géochimie est essentielle à cette compréhension. Les géologues se rendent sur les volcans pendant les éruptions comme durant les phases de sommeil, pour y collecter de la lave et des cendres, fraîches ou anciennes, afin d’identifier des changements subtils dans leur composition chimique. Ils utilisent ensuite des modèles sophistiqués pour simuler les entrailles des volcans, mais il s’agit toujours d’hypothèses éclairées. Des expériences en laboratoire pourraient cependant aider à ancrer ces modèles.

Restituer les phénomènes géologiques les plus extrêmes en conditions de laboratoire n’est pas chose aisée. Mais à l’automne 2025, des chercheurs sont parvenus à reproduire les réactions entre un simulacre de magma et une atmosphère d’hydrogène, à l’œuvre sur certaines planètes primitives. « On ne peut pas recréer une chambre magmatique à la surface de la Terre, explique Mike Poland, mais nous en sommes bien plus proches qu’auparavant. »

Idéalement, les volcanologues aimeraient essayer quelque chose d’encore plus ambitieux : « Il faudrait forer jusqu’à atteindre le magma en profondeur pour pouvoir véritablement observer ces processus in situ, plutôt que de se contenter de leur manifestation à la surface », rêve Tom Winder. C’est l’un des objectifs du banc d’essai de Krafla, en Islande. Ce dispositif vise littéralement à faire une percée en devenant le premier observatoire direct du magma au monde.

Un « projet Manhattan » géologique

« Rien n’empêche d’imaginer qu’à l’avenir, des prévisions volcaniques semblables aux prévisions météo puissent exister », estime Mike Poland. Mais établir une théorie unifiée du volcanisme nécessitera un « projet Manhattan » géologique.

Tout d’abord, il faudra recouvrir d’instruments géophysiques une constellation de volcans très diversifiés et les observer continuellement pendant plusieurs cycles éruptifs, c’est-à-dire plusieurs décennies. « On pourrait penser que les volcans sont bien suivis, mais ce n’est pas le cas, assène Diana Roman. Seule une poignée de volcans majeurs sont équipés d’un réseau d’instruments permanent. » Même les volcans parmi les plus dangereux des États-Unis, tels que ceux de la chaîne des Cascades sur la côte pacifique nord-ouest qui abrite le fameux mont Saint Helens ou l’instable mont Rainier, ne sont que partiellement recouverts par un nombre limité de capteurs.

S’ils disposaient d’un volume conséquent d’informations géophysiques et géochimiques, les chercheurs, aidés par des logiciels d’apprentissage automatique, pourraient sans doute dégager des facteurs communs qui leur permettraient d’établir des lois géophysiques fondamentales. De quoi construire ensuite un modèle de volcan archétypal, très générique, mais qui pourrait être appliqué à n’importe quel volcan du monde.

Imaginons par exemple que vous soyez inquiets du potentiel explosif du mont Fuji, au Japon. Il serait possible de nourrir le modèle générique avec des données telles que sa sismicité actuelle, sa géochimie magmatique ou son rythme de déformation. Une simulation pilotée par ces équations fondamentales des volcans pourrait alors virtuellement calculer l’évolution du mont Fuji « en avance rapide » jusqu’à la date de sa prochaine éruption probable, ainsi qu’émettre des hypothèses sur le type et la durée de celle-ci.

Ce modèle ne serait peut-être pas forcément unique. Plusieurs experts pensent qu’il existe une multitude d’archétypes volcaniques allant de ceux qui crachent de la lave à ceux du genre particulièrement explosif. Mais, dans tous les cas, l’idée d’une « prévision météo des éruptions » séduit de nombreux volcanologues. « C’est clairement la bonne façon de penser le problème », juge Zach Ross, chercheur en géophysique à l’institut de technologie de Californie.

Passer à la vitesse supérieure

Toutefois, un certain scepticisme demeure quant à la précision de ces prévisions. « Pour le moment, je ne peux l’imaginer que dans des circonstances exceptionnelles », modère Tom Winder, qui pense à des volcans qui entrent régulièrement en éruption comme ceux d’Hawaii ou de l’Islande.

D’autres experts à qui j’ai pu parler se montrent plus optimistes. Même si certains volcans poseront toujours des difficultés – ceux qui sont actifs seulement à quelques siècles d’intervalle ou ceux qui passent d’un état dormant à violent en quelques heures –, de nombreuses éruptions devraient être prévisibles. « Ce qui nous manque vraiment, c’est plus de données. Nous n’avons pas encore observé tant de systèmes volcaniques différents exploser, argue Marius Isken. Mais je pense que c’est une lacune qui se comblera avec le temps. »

Diana Roman fait partie d’un programme international en cours de développement baptisé Zones de subduction en quatre dimensions ou SZ4D. Les zones de subduction se situent en bordure des plaques tectoniques, là où une plaque plonge sous une autre, comme le long de la côte ouest du continent américain, ou sur la bordure ouest du Pacifique. La subduction est à l’origine de glissements de terrain, de tremblements de terre et d’éruptions parmi les plus violents. Si le projet SZ4D trouve assez de financements, il mettra en place une campagne de suivi intense des zones de subduction sur des sites allant du Chili à l’Alaska, pour étudier la physique sous-jacente à ces catastrophes naturelles.

Le programme SZ4D serait une entreprise scientifique colossale. Mais des efforts tout aussi imposants ont été nécessaires pour comprendre le fonctionnement de la météo, et le changement rapide du climat. Pour Diana Roman, « c’est l’heure de passer à la vitesse supérieure ».

Tous les jours, des volcanologues réalisent des miracles scientifiques pour protéger des millions de personnes des éruptions volcaniques. Je trouve passionnant d’imaginer un futur où les gens n’auront pas seulement quelques heures, mais des jours, voire des semaines, pour se mettre hors de danger.

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