Algorithmes de classification d'ondes sismiques volcaniques

Encadrant : Didier DONSEZ, David AMITRANO Polytech Grenoble.

En volcanologie, les sismographes jouent un rôle central dans la surveillance et la prévision des éruptions. Un sismographe mesure les vibrations du sol. Dans le cas des volcans, il permet de détecter et d’analyser l’activité sismique générée par :

• les mouvements du magma en profondeur,
• les fractures et micro-séismes dans la roche,
• les explosions internes ou effondrements dans le cratère.

Les types de signaux enregistrés sont :

• 1. Les Séismes volcaniques tectoniques (VT). Causés par la fracturation des roches lorsque le magma progresse. Ils indiquent souvent une montée en pression ou une intrusion magmatique.
• 2. Les Séismes longue période (LP) qui sont associés aux mouvements de fluides (magma, gaz, vapeur). Ils sont précieux pour savoir si du magma s’accumule sous le volcan.
• 3. Le Trémor harmonique qui est lié aux vibrations continues liées à la circulation du magma et des gaz. Il est souvent un signal précurseur d’une éruption imminente.
• 4. Les Effondrements et explosions qui sont enregistrés comme des secousses soudaines. Ils sont utiles pour suivre l’évolution d’un cratère actif.

Les applications concrètes sont :

• Surveillance en temps réel : un réseau de sismographes autour d’un volcan fournit des données continues aux observatoires.
• Cartographie interne : en combinant plusieurs stations, on peut localiser la profondeur et la position des foyers sismiques, donc suivre la trajectoire du magma.
• Prévision d’éruptions : l’augmentation de la fréquence et de l’intensité des séismes est souvent un signe annonciateur.
• Alerte et sécurité civile : permet aux autorités d’évacuer les populations à temps.

Les sismographes sont souvent des équipements couteux et qui génèrent un important volume de mesures qu’il faut transmettre en temps réel depuis le site de mesure et le centre de surveillance. Dans le contexte de la volcanologie, les sismographes déployés sur un volcan peuvent être détruits et perdus.

L’émergence des IMU MEMS (Inertial Measurement Units basées sur la technologie des Micro-Electro-Mechanical Systems) ouvre une nouvelle voie pour la conception de sismographes compacts, peu onéreux et accessibles. Les IMUs combine généralement accéléromètres (mesure des accélérations linéaires), gyroscopes (mesure des vitesses angulaires) et parfois magnétomètres. En version MEMS, ces capteurs sont gravés à l’échelle microscopique dans des puces de silicium, ce qui réduit leur taille, coût et consommation énergétique. Bien que leur précision est inférieure aux sismomètres professionnels, les IMU MEMS permettent de repérer les vibrations fortes à modérées (séismes VT, trémors, effondrements). Le bruit de fond est élevé et rend difficile la détection des signaux très faibles. Un calibrage est nécessaire : les données doivent être corrigées par des algorithmes de filtrage (Kalman, FFT, filtrage adaptatif).

L’objectif du projet est de concevoir des algorithmes de classification des ondes sismiques volcaniques d’un sismographe bon marché communicant. Ces algorithmes devront s'exécuter sur des micro-controleurs Seeedstudio XIAO nRF52840 sense (ou Seeedstudio XIAO nRF54L14). Les IMU MEMS utilisés pour la validation sont le LSM6DS3TR-C ou le LSM6DS3TR-C plus sensible.