SÉISMES ET SISMOLOGIE - Prédiction des séismes


SÉISMES ET SISMOLOGIE - Prédiction des séismes
SÉISMES ET SISMOLOGIE - Prédiction des séismes

PRÉDICTION DES SÉISMES

Pourra-t-on un jour prévoir les séismes? Cette question revient toujours après chaque catastrophe tellurique, et le sismologue est bien embarrassé d’y répondre. La destruction de la ville de K 拏be (Japon), le 17 janvier 1995, a suscité de vives polémiques quant à la politique de recherche sur les séismes. Cette catastrophe montre à l’évidence notre capacité bien médiocre à relever le défi de la prédiction des séismes, car, enfin, c’est bien au Japon que les pouvoirs publics investissent le plus dans la surveillance géophysique des régions à risque sismique élevé, loin devant la Californie ou la Chine. Mais les chercheurs japonais n’ont rien vu venir.

PRÉDICTION ET PRÉVENTION SISMIQUES

Faut-il déchanter après l’enthousiasme confiant des années 1980 qui a vu fleurir les grands programmes de prédiction des séismes, notamment au Japon et, aux États-Unis, en Californie? La polémique est actuellement vive dans ces deux pays et ces programmes sont ouvertement contestés dans le milieu politique et même scientifique. L’argument est simple: pour réduire l’impact des séismes, les sismologues devraient délaisser la recherche, bien incertaine, sur les phénomènes précurseurs pour concentrer leurs efforts sur la prédiction du mouvement du sol lors de futurs séismes. Cela est en effet une étape obligée pour établir des normes de construction parasismique adaptées. Si les ouvrages étaient bien réalisés, ils devraient ne pas souffrir excessivement d’une secousse tellurique, et en tout cas ne pas s’effondrer sur leurs occupants: une alerte publique déclenchée par une prédiction perdrait ainsi une grande partie de son intérêt. Il ne resterait alors à cette dernière que son caractère pervers, pouvant déstabiliser une économie, comme au Pérou en 1981, ou provoquer une panique meurtrière. Ce point de vue pragmatique n’est cependant pas recevable pour fonder une politique de recherche scientifique visant le long terme et sa moisson de découvertes imprévisibles. De plus, parfois, les événements sismiques le mettent en défaut.

Rappelons tout d’abord le séisme de Kozani, en Grèce. Le 15 mai 1995, un samedi en fin de matinée, une secousse tellurique se fait fortement ressentir dans un rayon d’une trentaine de kilomètres, touchant une dizaine de villages d’habitat traditionnel, mais sans faire de dommages. Cinq minutes plus tard survient une deuxième secousse, puis deux autres encore, à quelques minutes d’intervalle. Les habitants inquiets se retrouvent dans les ruelles, tous désertant les habitations. Enfin, moins de dix minutes après la première semonce se produit le grand séisme, de magnitude 6,7, activant une faille de 20 kilomètres de longueur. En quelques secondes, les fortes vibrations du sol disloquent les murs qui, s’effondrant par pans entiers, détruisent la plupart des maisons de plusieurs villages. Il n’y aura aucun mort. Un tel coup de semonce providentiel n’est pas rare; c’est aussi une forte crise sismique, se poursuivant plusieurs jours, qui poussa les habitants de la ville de Haicheng, en Chine, à camper devant leurs maisons, en janvier 1975. Le séisme majeur, de magnitude 7,5, survint le 4 février, détruisant la ville et ses alentours, mais faisant à peine plus d’un millier de victimes, chiffre infime face à l’étendue des dommages et à la densité de population. En France même, dans le village pyrénéen d’Arette, le 13 août 1967, vers 22 heures, c’est une première secousse tellurique qui précipita les gens dans la rue, alors que la seconde, quelques minutes plus tard, plus violente, ruina la plupart des habitations.

Ainsi, des alertes à très court terme, ici générées par l’occurrence de séquences anormales de séismes, peuvent sauver nombre de vies humaines. Mais, à K 拏be, les milliers de personnes qui périrent sous les décombres de leurs maisons traditionnelles à la lourde toiture de tuiles n’eurent pas la chance d’une telle mise en garde. L’immense majorité des constructions présentes sur notre planète n’étant pas parasismiques, et cela pour encore longtemps – en particulier pour le bâti traditionnel, peu renouvelé, et particulièrement vulnérable –, il n’est donc peut-être pas si vain de chercher à identifier les signes de l’imminence d’une catastrophe sismique.

LES MANIFESTATIONS PRÉSISMIQUES

C’est surtout dans les années 1970 qu’une succession de forts séismes au Japon et en Chine a permis d’identifier et de quantifier une foule de phénomènes associés à la préparation des ruptures sismiques, de quelques mois à quelques jours avant l’événement, à proximité de la faille menaçante: variations de niveau d’eau dans les puits, pouvant atteindre plusieurs mètres; déformation des sols et glissement asismique de failles actives de plusieurs centimètres; variations de plusieurs pour-cent de la résistivité des roches; essaims de séismes anormaux; anomalies de la concentration en gaz radon dans les eaux souterraines, ainsi que de leur augmentation en température de plusieurs degrés; enfin, bizarreries du comportement animal. Le caractère anormal et précurseur de ces observations ne faisait pas de doute, d’autant que dans certains cas – comme pour le séisme d’Izu-Oshima (Japon) en 1978 – les anomalies de niveau d’eau, de température, de déformation et de radon étaient bien corrélées. Cependant, l’absence de réseau de capteurs interdisait toute tentative de localisation de la source de ces anomalies, et donc d’explication du phénomène.

Depuis lors, malgré un colossal effort instrumental, les observations piétinent: aucun séisme notable ne s’est encore produit dans la dizaine de sites pilotes où sont concentrés des centaines de capteurs de toutes sortes à l’écoute des moindres palpitations terrestres, là où de grandes failles actives rendent plus probable qu’ailleurs l’occurrence de séismes. Le site le plus célèbre est sans doute celui de Parkfield, sur un petit segment de 30 km de longueur de la faille de San Andreas, en Californie, qui avait l’habitude de générer un séisme tous les vingt-trois ans en moyenne, depuis 1857, et dont le dernier date de 1964. On y retrouve la panoplie complète des instruments géophysiques: des réseaux sismologiques pour détecter les fluctuations temporelles et spatiales d’activité des petits séismes locaux et les variations des propriétés élastiques des roches déduites de l’analyse des vitesses des ondes sismiques; des réseaux de mesures géodésiques, au travers de la faille, ainsi que des capteurs de déformation et des inclinomètres pour détecter les mouvements liés à des glissements asismiques de la faille en profondeur; des mesures sur les eaux souterraines – niveau d’eau dans des puits, géochimie – pouvant révéler des circulations anormales de fluides; enfin, des mesures électrotelluriques avec des réseaux d’électrodes enterrées, et des mesures magnétiques. En 1993, une alerte officielle – prudemment définie comme une “probabilité de 30 p. 100 d’un séisme de magnitude 6 ou plus dans les 72 heures” – n’a pas été suivie du séisme attendu. Ce dernier accuse maintenant un “retard” de plusieurs années, ce qui coûte fort cher à l’U.S. Geological Survey, en argent et en prestige... D’autres sites densément équipés, au Japon, en Chine, en Turquie et au Chili, attendent eux aussi leur heure.

LES OBSERVATIONS DE TERRAIN

C’est dans des zones (hélas!) bien moins surveillées que survinrent les principaux séismes de ces dernières années. Mais, plusieurs fois, des mesures sporadiques ont révélé l’existence indéniable de précurseurs et maintenu, sinon relancé, la curiosité d’une communauté géophysique un peu désabusée.

Le cas le plus surprenant est celui du séisme de Loma Prieta, en Californie, en 1992. Un magnétomètre ultrasensible, localisé à quelques kilomètres du futur épicentre, enregistra une augmentation de 10 décibels du niveau de bruit de fond magnétique dans la gamme de 1 à 100 secondes de période; le bruit demeura élevé pendant dix jours, puis s’accrut encore pendant 3 heures, et le séisme survint. Les anomalies magnétiques perdurèrent pendant plus d’un mois après le séisme, décroissant régulièrement. Plusieurs groupes de chercheurs ont proposé des modèles explicatifs, mais aucun ne semble satisfaisant.

Pour rester dans le domaine électromagnétique, citons encore le cas du séisme japonais du 7 février 1993, de magnitude 6,6: deux mois avant le séisme, un potentiel électrique anormal de 100 millivolts (mV) apparaît sur un dipôle électrique de surveillance, long de 10 km. Le début de l’anomalie coïncide à quelques heures près avec celui d’une petite crise sismique, à moins de 10 km de distance d’une des électrodes. La fin de l’anomalie, elle, coïncide, à quelques heures près, avec l’occurrence du séisme qui eut lieu précisément au voisinage des petits séismes précurseurs. Le caractère fortuit de la corrélation entre ces activités électrique et sismique semble difficile à défendre, mais la cause en reste inconnue.

Le cas du séisme de K 拏be, en 1995, est lui aussi instructif. Juste après la catastrophe, une équipe de géochimistes de T 拏ky 拏 a récupéré toutes les bouteilles disponibles d’une eau minérale locale, pompée au voisinage de la faille active, dans la ville de K 拏be. L’analyse de l’eau de ces bouteilles datées a permis de reconstituer l’évolution dans le temps de sa teneur en divers sels. Très clairement, un excédent de chlorure apparaît deux mois avant le séisme, pour culminer avec un excès relatif de 20 p. 100 juste après, et revenir lentement jusqu’aux valeurs normales en automne de 1995. Des mesures de concentration de gaz radon dans les eaux souterraines d’un puits voisin montrent une forte anomalie bien corrélée (le radon est un gaz radioactif de demi-vie 4 jours, dont la désintégration 見 permet sa détection, même pour de très faibles concentrations). Des capteurs de déformations en puits dans la région épicentrale ont enregistré une forte déformation des sols dans la même période, quelques mois avant le séisme.

Que penser de ces nouvelles données? Les modèles spéculatifs, qui peuvent tenter d’en rendre compte, ont bien évolué depuis les années 1970, car la compréhension de l’origine des séismes a fait elle-même des progrès considérables. Le modèle le plus simple des phénomènes précurseurs est un affaiblissement de la zone de faille en profondeur, près du futur hypocentre: les deux côtés de la faille commencent à glisser l’un contre l’autre, mais lentement, sans vibrations sismiques. Ce glissement local agit sur les roches aux alentours, jusqu’en surface, déformant les sols et inclinant leur surface. Les aquifères eux aussi réagissent, faisant circuler les fluides et modifiant éventuellement la perméabilité des roches. Ce glissement peut engendrer dans son voisinage immédiat des concentrations de contraintes très locales et causer ainsi des crises de microsismicité anormales. Enfin, les circulations d’eau dans les roches peuvent engendrer des effets électriques par un phénomène bien connu, l’électrofiltration. Les circulations d’eau dans les roches peuvent en effet produire un courant électrique: les ions positifs d’une espèce se fixent en partie sur les parois de la matrice solide, et le flux d’eau entraîne une majorité d’ions négatifs, générant ainsi un potentiel électrique. C’est l’électrofiltration qui pourrait expliquer les anomalies électriques observées, par une connexion soudaine de réservoirs naturels profonds à des pressions très différentes. Mais les flux d’eau requis nécessitent des pressions de fluide telles que la déformation des roches qui leur serait associée serait aussi forte, sinon plus, que celle qui est liée à la rupture sismique elle-même... Ce modèle, pourtant séduisant, est donc encore loin d’être satisfaisant.

Comment tester ces modèles? Les observations de terrain isolées, après avoir éveillé l’intérêt de la communauté scientifique, ne nous sont plus d’un grand secours pour progresser. Seule l’occurrence d’un fort séisme dans un des sites densément instrumenté pourra permettre de dévoiler – partiellement, sans doute – les processus physiques d’éventuels phénomènes précurseurs. La première condition est de mettre ces réseaux près des failles que l’on estime prêtes à rompre, car les champs de déformation des roches, ou les champs électromagnétiques, décroissent avec le cube de la distance: à une distance de dix fois la dimension de la source, ces champs sont diminués d’un facteur mille!

LA VEILLE SISMIQUE

Les chercheurs français se sont récemment lancés dans cette course: trois sites ont été sélectionnés par les Instituts de physique du globe (I.P.G.) de Paris et de Strasbourg, et soutenus jusqu’à présent par l’Institut national des sciences de l’Univers (I.N.S.U., organisme du C.N.R.S.), le ministère des Affaires étrangères et l’Institut français de recherche scientifique pour le développement en coopération (O.R.S.T.O.M.).

Au nord du Chili, la subduction de la plaque Nazca sous la cordillère andine (plaque Amérique du Sud) n’a pas produit de grand séisme depuis plus d’un siècle. Le dernier en date, celui de 1887, de magnitude estimée à 8,5, avait rapproché brusquement les deux plaques de 10 mètres environ sur une longueur de 300 km. Comme pour tous les séismes des zones de subduction, ce glissement sismique s’est produit sur le plan de contact peu incliné entre les plaques, à environ 30 km de profondeur pour cet événement, soulevant la plaque chevauchante de quelques mètres. À la vitesse de convergence des plaques de 10 centimètres par an, telle qu’on peut la mesurer par positionnement satellite (global positioning system , G.P.S.), on peut estimer le retard au glissement depuis cent dix ans à plus de 10 m, retard “stocké” dans la déformation élastique des roches. Ces dernières ne devraient plus être loin du seuil de rupture dans la zone de faille, et un séisme comparable à celui de 1887 pourrait donc bien se produire d’ici à une décennie. Des réseaux sismologiques de surveillance ont donc été installés aux deux extrémités de cette “lacune sismique” (portion géographique d’une faille où il ne s’est pas produit de séisme récent), là où pourrait nucléer le futur séisme, pour suivre l’évolution de la microsismicité et du champ de contrainte qui la contrôle. En parallèle, une station multiparamètre constituée d’un gravimètre, d’une station sismologique de large bande spectrale, d’inclinomètres et d’une antenne G.P.S. de positionnement par satellite continu a été montée au centre de la lacune. Si les déformations présismiques atteignent le millième des déformations sismiques, elles devraient pouvoir être clairement détectées par ces systèmes, apparaissant comme une forte anomalie dépassant le bruit de fond. Mais une telle détection d’anomalie n’autorisera aucune prédiction: tant que le séisme n’aura pas eu lieu, il sera impossible de dire s’il s’agit réellemement d’un précurseur, et si ce dernier annonce un séisme dans les heures, les jours ou les mois qui viennent. Ce n’est qu’après un nombre suffisant de telles observations que des modèles physiques prédictifs pourront être élaborés, fondés sur la quantification des propriétés rhéologiques de la faille et de son environnement. Le 31 juillet 1995, un séisme de magnitude 7,5 se produisit à l’extrémité sud de cette lacune et pourrait bien être un précurseur particulièrement remarquable du séisme attendu. Mais lui-même a-t-il été précédé d’anomalies? C’est ce que pourront dévoiler les données du réseau sismologique local, actuellement en cours d’analyse et dont le dépouillement demandera plus d’une année.

Le deuxième site retenu pour de telles études est la lacune sismique de Thienzu, sur la faille d’Haiyuan, à la marge nord-est du Tibet, à 80 km au nord de la grande ville chinoise de Lanzhou. Il s’agit d’une faille décrochante majeure, semblable à celle de San Andreas, dont un segment a cassé en 1920, générant un séisme de magnitude 8. Une lacune sismique de 200 km de longueur s’étend entre cette rupture et celle de 1927, plus à l’ouest, sur une faille voisine: elle est susceptible de générer un séisme de magnitude supérieure à 8, avec une dizaine de mètres de glissement prévisible. L’instrumentation de cette lacune a débuté en 1994, avec un réseau de mesures géodésiques (G.P.S. et triangulation) pour détecter les déformations lentes s’accumulant près de cette faille, une station sismologique à l’écoute de la microsismicité locale, pour en détecter les fluctuations, et une station électromagnétique enregistrant en continu.

Le troisième site est celui du golfe de Corinthe, en Grèce, qui est une des zones tectoniques continentales les plus actives du bassin méditerranéen. C’est un graben de 150 km de longueur sur 10 à 20 km de largeur, s’ouvrant à la vitesse de 1,5 cm par an d’après des études géodésiques récentes. Cet écartement est lié au glissement des grandes failles normales qui bordent le sud du golfe, plongeant abruptement vers le nord pour s’enraciner dans la croûte ductile vers 10 km de profondeur. Ce glissement est en grande partie sismique et génère en moyenne un séisme de magnitude supérieure à 6 tous les cinq ans, correspondant à une faille de 10 à 20 km de longueur, glissant de 50 cm à 1 m. C’est donc un endroit idéal pour développer des recherches sur les précurseurs. Une grotte sur la côte nord a été équipée d’inclinomètres, d’extensomètres, de sondes à radon et de lignes électrotelluriques. Un tel site souterrain offre, en effet, l’avantage d’une grande stabilité mécanique et thermique, nécessaire pour minimiser le bruit instrumental des capteurs. Un projet européen ambitieux, G.A.I.A. (Geotectonic Activity: Instrumentation and Analysis), coordonné par l’I.P.G. de Paris, a pour objectif la mise en place de plusieurs sites multiparamètres, en grotte ou en puits de forage.

Les séismes attendus dans tous ces sites de par le monde finiront par se produire. Mais de ce qui se passe juste avant, à la racine des failles, que serons-nous capables de détecter, et de comprendre? Nul ne le sait. Une chose est sûre, cependant: si de tels observatoires ne sont pas maintenus et développés, nous n’en saurons jamais rien.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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