Un projet unique associe les mesures in-situ à la recherche sur les risques naturels. Depuis dix ans, un réseau de capteurs sans fil sur la crête du Cervin Hörnli diffuse en permanence des données de mesure sur l'état des parois rocheuses abruptes, pergélisol et climat dominant. Le chef de projet, Jan Beutel, passe en revue les progrès accomplis à ce jour.

La canicule estivale de 2003 a déclenché un éboulement qui a choqué à la fois les chercheurs et le grand public : 1, 500 mètres cubes de roche se sont détachés de la crête de Hörnli, un volume à peu près équivalent à deux maisons. L'événement de fracture a exposé de la glace nue à la surface de l'escarpement escarpé. Les experts se sont vite rendu compte que les températures record avaient réchauffé la roche à une telle profondeur que la glace contenue dans ses pores et fissures avait fondu. Cela a effectivement provoqué une réduction soudaine de la liaison maintenant la masse rocheuse ensemble.

La chute de pierres imprévue a motivé la mise en place de PermaSense, un consortium de projet unique réunissant des experts de différentes disciplines de l'ingénierie et de la recherche environnementale de l'ETH Zurich et de plusieurs autres institutions, y compris les universités de Bâle et de Zurich. Le projet a été lancé en 2006 avec l'objectif initial de faire des mesures et des observations qui n'étaient pas possibles auparavant. Utilisant une technologie de pointe, les chercheurs cherchaient à obtenir des mesures in situ dans un pergélisol rocheux escarpé d'une qualité et d'une quantité sans précédent.

Non seulement ils ont réussi, mais les chercheurs ont confortablement dépassé leur objectif, comme ils le rapportent dans un article qui vient d'être publié dans la revue Données scientifiques du système terrestre . L'étude décrit un enregistrement unique de 10 ans de données à haute résolution capturées par des scientifiques sur la crête Hörnli du Cervin, 3500 mètres d'altitude. Au total, 17 types de capteurs différents positionnés à 29 emplacements de capteurs distincts dans et autour de la zone d'éboulement de 2003 ont fourni 115 millions de points de données distincts.

"Cet ensemble de données constitue le plus long, l'enregistrement de données le plus dense et le plus diversifié de l'histoire de la recherche sur le pergélisol alpin dans le monde, " dit Jan Beutel, Chercheur senior au Laboratoire d'ingénierie informatique et réseaux de l'ETH Zurich, avec une fierté compréhensible :il est le moteur de l'initiative.

Grâce à des capteurs sans fil de pointe, les chercheurs ont réussi à rendre disponibles de gros volumes de données de haute qualité presque en temps réel, et surveiller et contrôler de près les expériences en cours. « L'analyse combinée des suivis à long terme obtenus à partir de différents types d'instruments conduit à une meilleure compréhension des processus pouvant conduire à la déstabilisation des roches escarpées, " dit Samuel Weber, co-responsable du projet et maintenant chercheur postdoctoral à la TU Munich.

Le réseau de capteurs comprend également une caméra haute résolution automatique qui prend des photos du site de fracture toutes les deux minutes. Les « crackmeters » mesurent l'élargissement des fissures et le déplacement des blocs. Les températures sont mesurées à différentes profondeurs dans la paroi rocheuse, ainsi qu'en surface. Les inclinomètres et les capteurs GPS mesurent en permanence à quel point les parois rocheuses plus grandes ainsi que toute la crête de la montagne se déforment et s'inclinent progressivement vers la vallée. Ces dernières années, les chercheurs ont ajouté des équipements de mesure des émissions acoustiques et des données microsismiques.

Les données sont relayées via WLAN depuis la crête du Hörnli jusqu'à la station sommitale du téléphérique du Klein Matterhorn à proximité, d'où elles sont transmises en temps réel via Internet au centre de données de l'ETH Zurich. Ici, ils sont capturés en continu, analysés et évalués - et ce depuis 10 ans, autour de l'horloge, quel que soit le temps.

Mesure du pergélisol sur 10 ans

« Au cours des trois dernières années de notre projet, l'incorporation de données sismiques plus complexes a été particulièrement utile pour nous aider à quantifier ce que nous souhaitions étudier dès le départ :la déstabilisation conduisant à des chutes de pierres. Cela nous a aidé à identifier des modèles dans les signaux de la montagne qui nous permettent de capturer de tels événements, " dit Beutel.

Mesure des fréquences de résonance de la paroi rocheuse

L'utilisation de systèmes de détection sismique a permis de détecter de nombreux signaux différents - comme la formation de fissures initialement invisibles et cachées dans la paroi rocheuse - que les capteurs précédents n'étaient pas en mesure de capter. "Les capteurs sismiques capturent beaucoup plus de données, et nous offrent une densité d'information et des opportunités d'analyse sans précédent, " explique l'ingénieur électricien. Mais ces capteurs ont plusieurs inconvénients :ils ont besoin de câbles, plus de pouvoir, et des forages profonds, qui doivent d'abord être percés. Et ils enregistrent aussi des signaux qui n'ont rien à voir avec la montagne, comme les pas des alpinistes en route vers le sommet du Cervin.

Les chercheurs ont d'abord dû supprimer tout le bruit ambiant de ces données à l'aide d'un apprentissage automatique et d'algorithmes intelligents qui ont été programmés directement dans les capteurs sans fil par les doctorants de l'ETH actuellement impliqués dans le projet. Afin de tester la vérité terrain, ils ont également alimenté les algorithmes avec des données enregistrées à la Hörnlihütte, une cabane d'alpage où les alpinistes escaladant le Cervin passent la nuit. Le nombre de personnes qui passent la nuit et grimpent chacune sert d'indication lorsque les personnes qui escaladent la montagne créent des interférences.

L'analyse des données sismiques filtrées fournit une image intéressante pour Beutel :« Les fréquences de résonance qui se produisent dans les roches varient considérablement au cours de l'année. Ce phénomène est lié aux processus de gel et de dégel en montagne. De nombreuses microfissures et fissures sont remplies de glace et de sédiments, et ce mélange est gelé dur en hiver. Quand cela dégèle en été, la liaison dans les fissures change. La masse rocheuse vibrant librement s'agrandit, et en conséquence la fréquence de résonance diminue. L'inverse se produit en hiver :la fréquence de résonance du massif rocheux augmente.

"C'est le même principe que sur une guitare - le ton dépend de l'endroit où vous tenez les cordes créant des éléments vibrants de différentes longueurs, ", explique Beutel.

"Des changements très brusques dans la configuration de ces fréquences de résonance indiqueraient que la stabilité d'une partie de la paroi rocheuse a changé, " dit Beutel. Si les fréquences baissent, cela peut signifier que les fissures existantes se sont approfondies ou ouvertes, indiquant peut-être l'émergence d'un éboulement d'une masse importante.

« En utilisant les données sismiques et acoustiques, combinés avec des mesures de largeurs de fissures et des photos du site d'investigation, nous pouvons identifier assez précisément comment le pergélisol évolue et faire des prédictions sur les problèmes qui commencent à se développer, " dit Beutel. "Je considère que c'est l'une des meilleures réalisations à ce jour du projet PermaSense."

Il dit que c'est grâce à son partenaire de projet, Samuel Weber, qui a passé les trois dernières années à rédiger une thèse novatrice sur ce sujet à l'Université de Zurich. Un autre facteur clé a été l'implication du professeur de l'ETH Donath Fäh et du Service sismologique suisse, qui a fourni l'expertise en sismologie.

Ouverture soudaine de fissures rocheuses

Le projet de mesure sur le Cervin n'est pas encore terminé, mais toujours en cours. Pendant qu'il tourne encore, Beutel souhaite transférer le savoir-faire acquis de la « Horu, " le nom local de la montagne emblématique, à d'autres projets et sites. L'expertise technique et géologique acquise peut désormais être appliquée à la prévision des aléas naturels. Beutel dit qu'une utilisation possible pourrait être au Piz Cengalo dans la vallée de Bregaglia. À l'été 2017, un éboulement massif de plusieurs millions de mètres cubes a tué un certain nombre de personnes et la coulée de débris qui en a résulté a détruit des parties du village de Bondo en contrebas. Les experts conviennent que d'autres chutes de pierres se produiront sur cette montagne et surveillent maintenant les conditions 24 heures sur 24 à l'aide d'un radar, mais les mesures in situ manquent à ce jour.