Lettre du Plan Séisme - 1er trimestre 2018, Dossier Prédire où et quand aura lieu le prochain séisme destructeur

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Saura-t-on un jour prévoir les séismes comme on prévoit à quelques heures la trajectoire d’un ouragan ? L’enjeu   est considérable pour la protection des vies humaines. D’innombrables pistes ont déjà été explorées. En vain, aucune n’a jusqu’ici donné de résultat suffisamment robuste pour permettre par exemple d’évacuer préventivement des populations. Véritable Graal de la sismologie  , la prévision fiable à court terme est-elle un objectif utopique inatteignable en raison de la nature même des séismes, ou un espoir à long terme grâce aux progrès des connaissances et des technologies ?

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De curieux phénomènes qui précèdent les séismes

Depuis que les sages philosophes de l’Antiquité ont tenté de comprendre le monde qui les entourait par des causes rationnelles, de nombreuses observations de phénomènes faites à l’occasion de séismes ont été soigneusement consignées et nous sont parvenues. Ainsi, très tôt ont été mentionnées des coïncidences étranges entre la survenus des séismes, et des phénomènes aussi divers que des conditions météorologiques anormales préalablement au séisme   (pluies intenses ou au contraire grandes sécheresses), des observations astrophysiques particulières telles que le passage d’une comète ou l’observation d’une tâche solaire, des comportements animaux anormaux, ou encore la fluctuation du niveau d’eau dans les puits. Il ne s’agissait tout d’abord donc pas tant d’utiliser ces signes pour alerter, mais bien pour tenter de comprendre ce qui pouvait bien faire trembler la Terre. Encore que quelques philosophes furent connus en leur temps pour avoir prédit avec succès des séismes, comme Phérécyde de Syros (qui fit entre autres prédictions, celui du naufrage d’un navire ou du siège de la ville de Messène) dont la prédiction d’un séisme   fit dire à Cicéron qu’il méritait « moins le titre de devin que celui de physicien ».

Ce n’est que plus tard que, le temps et la compréhension scientifique des choses avançant, les savants se sont véritablement mis en devoir de soumettre les séismes par la prédiction, comme ils l’avaient fait naguère pour la météorologie. Ce qu’exprimait quasiment mot pour mot Camille Flammarion au lendemain du séisme   de Lambesc qui ravagea la Provence le 11 juin 1909 : « Le progrès marche, et le génie de l’homme prendra possession de la Terre comme il a su prendre possession du ciel, en soumettant au calcul tous les grands phénomènes cosmiques ».
Ce n’est que dans les années 1960/1970 que le sujet a vraiment commencé à mobiliser largement la communauté scientifique, avec des programmes d’ampleur d’acquisition de données, à la fois en laboratoire et sur le terrain.

En la matière, l’exemple le plus notable est celui de la Chine qui s’investit massivement sur le sujet après avoir subi plusieurs séismes meurtriers. La « Révolution culturelle » privilégiant alors la mobilisation de la foule immense et anonyme du peuple plutôt que celle des intellectuels, 100.000 chinois furent sensibilisés à la va-vite à la détection des « anomalies présismiques » : élévation du sol ou de niveau des puits, comportements animaux suspects… Rapidement, les zones les plus sismiques de Chine sont ainsi instrumentées à tout va avec des instruments de fortune, et les comportement animaux observés tout azimut, la quantité des données collectées primant sur leur qualité.

L’observation simultanée et croisée de toutes ces observations donna lieu à la prédiction du séisme   de magnitude   7.3 qui ravagea la ville de Haicheng le 4 février 1975, ce dont se glorifia la Chine et impressionna le monde entier. Néanmoins, ce n’est semble-t-il pas l’alerte décrétée par les autorités qui encouragea les habitants à évacuer en masse leurs domiciles, mais bien les nombreuses secousses qui ont précédé le choc principal. Par ailleurs, la même méthode échouera un an plus tard à prédire le séisme   de magnitude   7,8 qui ravagea la ville de Tangshan et fit près de 600 000 victimes. L’analyse après coup des montagnes de données collectées avant le séisme   permis cependant aux scientifiques chinois de repérer des effets présismiques, tels que des variations rapides et significatives de niveaux d’eau dans des puits, ou des variations de résistivité électrique du sol.

Parallèlement, les japonais, les russes et les américains compilèrent chacun de très nombreuses données démontrant que les séismes s’accompagnent souvent de manifestation présismiques : variation de l’activité sismique avec apparition « d’essaims sismiques », phénomènes électromagnétiques et lumineux, élévation du niveau du sol, modification de l’écoulement des sources et de la composition chimique des eaux…

Mais il s’agit là le plus souvent d’observations reliées apostériori à la survenue de grands séismes : difficilement compréhensibles avant la secousse, ils ne furent interprétés qu’après coup comme autant de probables signes précurseurs.
Restait donc encore à comprendre les phénomènes responsables de ces manifestations, et caractériser leur potentiel prédictif.

Anomalie présismique du potentiel électrique spontané des sols observée avant le séisme de Haicheng du 4 février 1975
Anomalie présismique du potentiel électrique spontané des sols observée avant le séisme de Haicheng du 4 février 1975
Source : American Geophysical Union, 1977

Des signes révélateurs des contraintes exercées en profondeur

Plusieurs des signes présismiques observés seraient naturellement liées à la compression des roches autour de la zone de faille  , celle-ci se traduisant par l’apparition de microfissures ou par un changement de propriétés des matériaux. La surveillance fine de ces phénomènes pourrait donc potentiellement nous alerter de l’imminence d’une rupture.

Dans les années 60, des scientifiques Russes ont par exemple remarqué des ralentissements significatifs de la vitesse de propagation des ondes sismiques peu de temps avant la survenue de tremblements de terre. Imputées au phénomène dit de « dilatance », de fracturation de roches créant des fissures en profondeur susceptibles de ralentir la propagation des ondes, ces observations auguraient donc la perspective d’une prédiction opérationnelle via des dispositifs de mesures répétées de la vitesse des ondes sismiques dans le sol. Las, la reproductibilité du phénomène n’a pas été au rendez-vous, et de telles variations ont également été observées sans qu’aucun séisme   ne survienne ensuite…

Dans les années 80, ce sont des anomalies dans les mesures des courants électriques naturels dans le sous-sol qui ont été mis en évidence à l’approche de séismes. La cause de ce phénomène, probablement la compression des cristaux de quartz (présents en quantité dans nombre de formations géologiques) qui ont une propriété piézoélectrique bien connue de produire un courant électrique lorsqu’on leur applique une contrainte. Cette méthode, appelée « VAN » du nom de ses inventeurs (Varotsos, Alexopoulos, Nomicos), a suscité de nombreux espoirs notamment en Grèce où elle a donné lieu à plusieurs prévisions couronnées de succès. Cependant, cette méthode « magique » avait contre elle d’être scientifiquement fragile : il est par exemple physiquement difficile de justifier que de telles perturbations électriques soit repérables à plusieurs centaines de kilomètres d’une faille   prête à rompre, à moins que celle-ci ne soit capable de créer des tensions de plusieurs centaines de Volts !!! Difficile également d’admettre que des anomalies électriques apparaissent avant les séismes et jamais pendant, alors que les déformations intenses qui sont alors produites devraient également faire réagir les cristaux de quartz…

Compressées comme des éponges sous l’effet des contraintes, les zones de failles prêtes à rompre mettent les eaux souterraines sous pression, ce qui peut également expliquer en partie de nombreux effets présismiques. Ainsi a-t-on déjà évoqué les très nombreux exemples de séismes qui ont été précédés d’une modification des chemins d’écoulement des eaux souterraines, pouvant par exemple donner lieu au tarissement de sources ou à la modification du niveau de remplissage des puits. De plus, la composition chimique même de ces eaux est souvent changée, comme l’attestent les concentrations anormalement fortes en radon ou en sels dissouts observées avant certains séismes. La raison à cela ?

En haut : Quelques exemples de l'abondante littérature scientifique consacrée à la méthode VAN pour la critiquer (à gauche) ou la défendre (à droite) En bas : Haroun Tazieff aux côtés du professeur Panayotis Varotsos en 1989, pour l'implantation de stations VAN dans les Alpes françaises
En haut : Quelques exemples de l’abondante littérature scientifique consacrée à la méthode VAN pour la critiquer (à gauche) ou la défendre (à droite) En bas : Haroun Tazieff aux côtés du professeur Panayotis Varotsos en 1989, pour l’implantation de stations VAN dans les Alpes françaises
Source : Lyon Figaro

La fracturation des roches augmenterait leur perméabilité, créant ainsi de nouveaux chemins de remontée des eaux souterraines naturellement riches en gaz et minéraux de toutes sortes. La portée prédictive de ces observations n’est cependant pas évidente, tant les comportements varient d’un séisme   à l’autre. Concernant le cas spécifique du radon, et bien qu’un lien formel ait pu être établi entre sa concentration et la sismicité  , d’autres facteurs entrent en jeu, telles que les conditions météorologiques, ce qui complique beaucoup la prédiction.

Anomalie présismique des concentrations de radon avant le séisme de l'Aquila du 6 avril 2009
Anomalie présismique des concentrations de radon avant le séisme de l’Aquila du 6 avril 2009
Source : Pulinets, 2016

Des petits tremblements qui peuvent en annoncer des gros

Une autre indication de l’imminence d’un séisme   peu également venir de l’étude du niveau d’activité sismique. Ainsi, de nombreux séismes importants sont précédés de ce que l’on nomme rétrospectivement des « séismes précurseurs ». Mais une fois encore, bien maline est la personne pouvant affirmer qu’un séisme   donné est bien annonciateur d’un séisme   plus important… ou simplement l’expression du réarrangement de contraintes souterraines.

De manière moins caricaturale, il n’est pas rare d’observer de petites crises sismiques dites « en essaims » qui précèdent à des séismes importants, lesquels essaims agissent parfois comme des ordres d’évacuation naturels de populations inquiétées par ces vibrations incessantes. Mais - car comme toujours il y a un « mais » - certaines crises en essaims ne se concluent heureusement pas par un séisme   destructeur, ce qui est fort heureux pour les habitants de la région de Barcelonnette (Alpes-de-Haute-Provence) qui présente une tendance naturelle à de telles sursauts d’activité sismique.

Quand les animaux entrent dans la partie

S’ils ne concentrent aujourd’hui plus guère d’espoir au sein de la communauté scientifique en matière de future prédiction opérationnelle des séismes, les comportements animaux étranges résument à eux seuls la problématique de la prévision des séismes aux yeux du grand-public. Facilement observables, ces comportements sont d’ailleurs régulièrement mentionnés depuis l’Antiquité dans le monde entier, et tout particulièrement au Japon et en Chine. Certains penseurs illustres s’en sont fait écho, comme Kant qui reporte ainsi que « huit jours avant la secousse [ndlr. liée au grand séisme   de Lisbonne de 1755], le sol des environs de Cadiz était recouvert d’une multitude de vers de terre qui avaient émergé du sol ». Fasciné par cette grande catastrophe que fut la destruction de Lisbonne par un séisme   suivie d’un tsunami  , Kant s’est beaucoup documenté sur ce séisme  , mais il n’en était cependant pas le témoin, pas plus que celui de ces étranges comportements de lombrics.

Pour autant, les observations émanant de témoins directs sont si nombreuses, qu’il n’est pas permis de douter de la véracité du phénomène, ce qui laisse à présumer d’hypersensibilité de certaines espèces animales à quelques effets présismiques. Concernant le témoignage de Kant, il est par exemple conforté par des observations similaires effectuées lors d’un séisme   taïwanais en 1999.

A gauche : Vers de terre émergeant en masse à la surface aperçus à Taiwan quelque jours avant un séisme survenu en 1999 - A droite : Fuite massive de crapauds observée cinq jours avant le séisme du Sichuan du 12 mai 2008 dans la ville de Mianzhu
A gauche : Vers de terre émergeant en masse à la surface aperçus à Taiwan quelque jours avant un séisme survenu en 1999 - A droite : Fuite massive de crapauds observée cinq jours avant le séisme du Sichuan du 12 mai 2008 dans la ville de Mianzhu
Source : Ikeya, 2004 (image de gauche) ; Asian News (image de droite)

A l’instar des verres de terres, les effets les plus marquants sont ceux de colonies entières d’animaux fuyant leur habitat, faisant fit du risque de périr dans cette fuite : ainsi ne compte-t-on plus les mentions de routes envahies par d’innombrables crapauds, souris ou autres serpents quelques jours avant la survenue de séismes importants. Et pas besoin de revenir à de vagues témoignages de temps anciens, de telles observations nous parviennent encore régulièrement, photos à l’appui, comme préalablement aux séismes du Sichuan (Chine) survenu en 2008 et à celui de l’Aquila (Italie) survenu en 2009, où des crapauds ont préventivement fait leurs valises.
Mais ce sont également des éléphants fuyant la côte avant le déferlement du tsunami   à Sumatra en 2004, des chevaux devenus fous ou des poissons des grandes profondeurs qui remontent et s’échouent sur les plages, etc.

Peu d’étude sérieuses ont cependant à ce jour été consacrées au sujet en l’étudiant avec la rigueur scientifique requise. L’enjeu   est pourtant important, puisqu’il s’agit de dépasser l’idée collective selon laquelle « il paraitrait que les animaux peuvent ressentir l’imminence de séismes » par la vérification de la robustesse statistique de cette hypothèse, et le cas échéant par une identification des mécanismes à l’œuvre. La tâche est cependant ardue dans la mesure où les observations disponibles sont souvent subjectives, les manifestations anormales étant le plus souvent déclarées comme telles qu’après l’occurrence des séismes, les mêmes comportements non suivis de séismes passant généralement dans le même temps sous silence, non consignés dans de savantes notes.

C’est que - comme chez les humains - les comportements irrationnels demeurent relativement fréquents, et qu’ils ne sont pas tous suivi de séismes. Inversement, de nombreux séismes surviennent dans une apparente insouciance de nos amis les bêtes…

La prévision des séismes a-t-elle un sens ?

D’un point de vue théorique, l’idée même qu’un séisme   puisse être prédit a fait l’objet d’un intense débat scientifique. La raison à cela ? Les séismes résultent d’un phénomène chaotique hautement imprévisible qui dépend de manière très sensible d’une infinité de paramètres qu’il nous sera à tout jamais impossible de caractériser avec une précision suffisante. Ainsi, au moment où une rupture s’initie, celle-ci peut aussi bien se propager à l’ensemble d’un segment de faille   (voir de plusieurs segments voisins) pour provoquer un important séisme  , ou au contraire être rapidement stoppé. La différence ? Presque rien : une petite aspérité le long de la faille   qui suffit à bloquer le glissement à temps, un peu moins d’eau sous pression pour participer au décollement des lèvres de la faille  , une structuration minéralogique qui favorise ou non la propagation de la rupture, etc., etc.

Cette vision a en effet de quoi doucher tout espoir de prévision, dans la mesure où elle suggère que quand bien même nous aurions une connaissance parfaite des phénomènes physico-chimiques à l’œuvre et que nous serions en mesure de les modéliser, nous ne serons jamais en mesure d’instrumenter suffisamment les failles – objets qui s’étendent parfois sur des centaines de kilomètres de profondeurs et qui plongent à des kilomètres sous nos pieds – pour en définir précisément l’état à un moment donné, et ainsi disposer des valeurs des innombrables paramètres requis par les modèles.

Des perspectives plutôt encourageantes

Le débat en était là, fondé sur des arguments imparables issus de la sismologie   classique fondée sur l’idée de cycles sismiques : blocage de la faille  , accumulation lente de contraintes avec déformations élastiques, puis brusque relâchement des contraintes – le séisme   -, nouveau blocage, etc. La multiplication de l’instrumentation des grandes failles partout dans le monde, a cependant apporté son lot d’observations étranges suggérant un phénomène sismique encore bien plus complexe. C’est ainsi que l’on apprit que les failles ne relâchaient pas forcement toujours leurs contraintes de manière brutale sous forme de séismes, mais qu’elles pouvaient également périodiquement glisser progressivement en ce que l’on appelle des « séismes lents », produire de faibles grondements transitoires appelés « tremors », ou encore des séismes très basses fréquences… La découverte de ces phénomènes transitoires et leur alternance avec des phases sismiques classiques, ouvrent de nouvelles perspectives pour la prévision des séismes. Les observations réalisées au Chili montrent par exemple que des phases de glissements asismiques (« séismes lents ») ont précédé au grand séisme   du Maule de magnitude   8,2 du 1er avril 2014, ainsi qu’à ses séismes précurseurs et ses répliques  . L’utilisation à des fins de prédiction semble cependant encore lointaine tant la complexité est grande.

Temps restant avant la prochaine rupture telle que prévue par le modèle d'intelligence artificielle par analyse des données de laboratoire
Temps restant avant la prochaine rupture telle que prévue par le modèle d’intelligence artificielle par analyse des données de laboratoire
Source : d’après B. Rouet-Leduc et al., 2017

Des nouvelles récentes parviennent également des laboratoires, où les scientifiques tentent depuis des dizaines d’années de comprendre ce qui se passe à l’échelle des failles en tentant de les reconstituer – en miniature – dans leurs machines capables de mettre des échantillons de roches sous des conditions de pression et de température extrêmes. Récemment, des travaux menés au laboratoire américain de Los Alamos ont ainsi conduit à établir un modèle de prédiction redoutablement précis des ruptures de telles « failles artificielles ». Ce modèle permet, à partir de l’analyse de très nombreux enregistrements sismiques, d’estimer l’état de friction de la faille   et d’en déduire le temps restant avant la prochaine rupture. Selon Bertrand Rouet-Leduc, chercheur français ayant conduit les travaux, ces progrès ont été rendus possible grâce au recours à des techniques d’intelligence artificielle et ouvrent une nouvelle voie dans la recherche sur la prévision des séismes. La puissance des calculateurs permet en effet de prendre en compte l’ensemble des enregistrements, y compris ceux jusqu’ici laissés de côté et qui pourtant semblent d’après ces travaux porteurs d’informations essentielles. La transposition de ce modèle de laboratoire aux failles réelles demeure en revanche un défi de taille, même si les premiers résultats obtenus sur une faille   réelle de forme simple sont encourageants (cf. entretien avec Bertrand Rouet-Leduc).

Les chercheurs n’ont donc pas dit leur dernier mot pour prédire les séismes et les progrès de la science sont en la matière actuellement très rapides. Quelque puissent être les espoirs suscités par ces travaux, encore serait-il utile de préciser ce que l’on entend par « prévision », et surtout ce que l’on en attend.

Une prévision court ou long terme ?

Nous l’avons vu, si l’observation a postériori - sur quelques séismes particuliers - d’effets présismiques ou de séismes précurseurs a souvent paru prometteuse, les espoirs ont systématiquement été déçus lorsqu’il s’est agi de s’en servir comme signes annonciateurs de l’imminence de séismes. Car, pour les humains que nous sommes, prédire c’est être en mesure de pouvoir dire - de manière reproductible - à la fois où surviendra un séisme  , quand, et quelle sera son importance, autrement dit sa magnitude  .

Il faut donc juger de la prédictibilité au regard de critères clairs et quantifiés : s’agit-il d’une prévision utile que de dire qu’une province japonaise donnée sera très probablement affectée par un séisme   dans les six mois qui viennent, sachant que l’aléa sismique   y est tel que des dizaines de séismes de magnitude   supérieure à 5 y surviennent chaque année, des centaines de magnitude   supérieures à 4, des milliers de magnitude   supérieure à 3 ? Car prédire l’occurrence prochaine d’un séisme   dans les régions les plus sismiques du globe, n’a pas plus de valeur que d’annoncer un temps pluvieux dans le mois à venir lorsqu’on habite en Bretagne. Posée autrement, la question pourrait être de savoir si la méthode de prévision proposée est suffisamment précise pour pouvoir aider les autorités d’une ville à décider de la pertinence ou non d’en évacuer les habitants de manière préventive du fait de l’imminence d’un séisme  , sachant qu’il ne sera vraisemblablement pas jugé acceptable d’évacuer des régions entières, et que de telles évacuations ne semblent pas envisageables pendant plus de quelques jours…

A gauche : Carte d'aléa sismique de l'Italie - A droite : Probabilité hebdomadaire de dépassement d'intensités macrosismiques VII (courbes grises) et VIII (courbes noires) dans un rayon de 10 kilomètres autour de la ville de Norcia
A gauche : Carte d’aléa sismique de l’Italie - A droite : Probabilité hebdomadaire de dépassement d’intensités macrosismiques VII (courbes grises) et VIII (courbes noires) dans un rayon de 10 kilomètres autour de la ville de Norcia
Source : INGV? (image de gauche) ; d’après Marzocchi et al., 2017 (image de droite)

Voici en ce qui concerne la vision de la prédiction à court terme, compatible avec les échelles de temps et d’espace dans lequel nous évoluons, nous agissons. Mais mettons en perspective la problématique de la prévision avec le phénomène naturel considéré, le séisme  , qui est l’expression d’une activité tectonique qui s’applique à des échelles continentales. Qui résulte de la mise en mouvement de failles dont la taille peu atteindre des dizaines, voire des centaines de kilomètres, et sur lesquelles l’occurrence de deux événements d’ampleur comparable peut être séparé de dizaines, de centaines voire de milliers d’années. Nous percevons dans ce cas la difficulté du problème, et vu ainsi, il parait déjà satisfaisant d’être en mesure de « prédire » la survenue d’un séisme   de magnitude   supérieure ou égale à une valeur donnée, à l’échelle d’une région et à un horizon d’une cinquantaine d’années. Cette forme de prédiction à long terme à un nom, il s’agit de l’évaluation de l’aléa sismique   : ainsi, la carte d’aléa sismique   de la France (dont découle le zonage sismique réglementaire) en est une parfaite illustration. Certes il est difficile d’établir des actions immédiates de protection-civile de court terme avec de telles prédictions, mais il est en revanche possible de les utiliser pour établir des règles parasismiques adéquates pour réduire les pertes lorsque des séismes importants surviendront.

Soulignons qu’il existe désormais des approches de « prédiction opérationnelle des séismes » permettant de moduler ces cartes d’aléa (de long terme donc) pour donner des indications sur le court terme, par la prise en compte des nombreuses observations évolutives en provenance du terrain : sismicité   et microsismicité, mesures des champs de contraintes…

Très concrètement, cela consiste en la production de cartes régulièrement mises à jour (quotidiennement ou de manière hebdomadaire) représentant la probabilité d’occurrence d’un séisme   de magnitude   donnée dans la semaine ou le mois à venir. Mais que dire d’une augmentation rapide de cette probabilité d’un facteur 100, lorsque sa valeur demeure intrinsèquement très faible (disons une chance sur 10.000) ?

Présentation des conclusions des travaux de la commission internationale pour l'étude de la prédiction, à la direction générale de la protection civile italienne en mai 2011
Présentation des conclusions des travaux de la commission internationale pour l’étude de la prédiction, à la direction générale de la protection civile italienne en mai 2011
Source : protection civile italienne

C’est pour apporter des pistes de réponse à ce type de questions qu’après le séisme   meurtrier de l’Aquila survenu en Italie centrale en avril 2009, une commission internationale pour l’étude de la prédiction des séismes fut constituée dans l’urgence : elle recommanda, outre le fait de poursuivre les efforts de recherche en la matière, d’établir des protocoles quantitatifs et transparents pour étayer la prise de décision face à de telles incertitudes. D’ici là, en attendant que de nouvelles avancées sur la prévision à court terme des tremblements de terre n’apporte des solutions opérationnelles, la prévention et la préparation des populations demeurent aujourd’hui la meilleure parade pour nous protéger des séismes.