Méthode VAN

Sismicité historique de la Grèce, entre 1900 et 2023.

La méthode VAN, nommée d'après les initiales des trois chercheurs grecs -Varótsos, Alexopoulos et Nomicos- l'ayant mise au point en 1981, est une méthode de prédiction sismique basée sur la mesure des courants électriques basse fréquence circulant naturellement dans la croûte terrestre. Ses inventeurs affirment avoir réussi à prédire plusieurs séismes en Grèce dans les années 1980. La méthode est cependant contestée par une partie de la communauté scientifique, tant sur les principes théoriques que sur l'interprétation des résultats obtenus. Les inventeurs grecs ainsi que d'autres chercheurs internationaux convaincus par la méthode VAN répondent aux diverses critiques au cours des années qui suivent, sans réussir à infléchir l'opinion de leurs opposants.

En 2001, l'équipe de recherche VAN présente une amélioration de sa méthode avec le nouveau concept de « temps naturel » pour analyser les signaux électriques sismiques (SES). Ce concept est utilisé lors d'une première étape pour distinguer les SES du bruit de fond électrique et les relier à un possible séisme. Lors d'une deuxième étape, quand l'activité de SES est avérée, l'analyse par temps naturel est appliquée à l'activité sismique régionale dans le but d'améliorer le paramètre temporel de la prédiction. Ce concept considère que le déclenchement d'un séisme est un phénomène critique.

En 2006, l'équipe VAN annonce que toutes les alertes de séisme liées à la détection de SES sont désormais rendues publiques sur le site arXiv.org. Le 1er février 2008, un rapport d'alerte est mis en ligne, deux semaines avant un séisme de magnitude 6,9 au large du Péloponnèse, qui est le plus puissant enregistré en Grèce depuis 1983. En 2010, dans le journal scientifique Eos, le sismologue Gerassimos Papadopolous critique le rapport d'alerte de VAN, le qualifiant de confus et ambigu. Un droit de réponse des partisans de VAN est publié dans le même numéro du journal.

Principe de la méthode VAN

La méthode VAN se base sur la détection, l'enregistrement et l'évaluation de signaux électriques sismiques (SES) existant naturellement dans la lithosphère. Ces signaux comportent une fréquence fondamentale égale ou inférieure à 1 Hz. Le logarithme de leur amplitude est proportionnel à la magnitude sismique. D'après les inventeurs de la méthode, les SES sont émis par les roches soumises à des contraintes mécaniques, elle-même engendrées par les mouvements liés à la tectonique des plaques. Ils seraient ainsi ce que les sismologues appellent des signaux précurseurs d'un séisme.

Les SES sont détectés par des stations qui sont constituées de plusieurs paires d'électrodes plantées dans le sol, espacées de plusieurs centaines de mètres et orientées perpendiculairement (typiquement nord-sud et est-ouest). Un système d'amplificateurs de signal et de filtres est associé. Les signaux sont ensuite transmis à l'équipe de recherche à l'université d'Athènes où ils sont enregistrés puis analysés.

Trois types de SES sont définis :

• Les signaux électriques transitoires qui se produisent immédiatement avant un séisme majeur. Par exemple, dans le cas du séisme de 1995 à Kobe (Japon) les SES furent enregistrés 6h30 avant le début du tremblement.
• Les signaux électriques transitoires qui se produisent dans un délai plus long avant un séisme majeur.
• Une variation progressive du champ électrique terrestre quelques temps avant un séisme.

La structure cristalline fortement asymétrique du quartz α lui confère des propriétés piézoélectriques.

Il existe plusieurs hypothèses pour expliquer l'apparition des SES :

• Phénomènes liés aux contraintes tectoniques : les SES seraient émis par certains minéraux, particulièrement le quartz (abondant dans la croûte terrestre), qui ont un comportement piézoélectrique bien connu ou par des effets secondaires liés aux défauts cristallographiques provoqués par les contraintes mécaniques subies par les roches. Des séries de SES (dénommée par les chercheurs SES activities) peuvent se manifester plusieurs semaines ou plusieurs mois avant un séisme majeur quand les contraintes atteignent une valeur critique. Des expériences en laboratoire ont confirmé la génération de signaux électriques par des minéraux soumis à de fortes contraintes mécaniques menant jusqu'à la rupture.
• Phénomènes thermoélectriques : des chercheurs chinois ont proposé une explication se basant sur un effet thermoélectrique de la magnétite.
• Phénomènes liés aux eaux souterraines : Trois mécanismes distincts ont été proposés. Tout d'abord, l'effet électrocinétique provoqué par la circulation d'eau souterraine lors de variations de la pression de la phase fluide du sol (porosité). Ensuite, l'effet dynamo sismique est associé aux déplacements des ions présents dans les eaux souterraines, par rapport au champ magnétique terrestre et sous l'effet des déplacements provoqués par le passage de l'onde sismique. Une polarisation circulaire serait caractéristique de cet effet dynamo; ce qui a été observé dans des cas de séismes naturels et artificiels. Enfin, un effet d'ionisation par le radon, causé par l'échappement, le long de failles, de ce gaz qui a un pouvoir ionisant sur l'eau. En effet, l'isotope du radon le plus abondant est radioactif avec une demi-vie de 3,9 jours et la décroissance radioactive du radon est déjà connue pour avoir un effet de ionisation sur l'air. Plusieurs publications scientifiques ont rapporté des augmentations de la concentration de radon à proximité de failles actives quelques semaines avant les séismes. Cependant, aucune corrélation solide entre anomalie dans la concentration de radon et occurrence de séisme n'a jamais été démontrée.

Une église endommagée par un séisme en 2017, sur l'île de Kos.

Alors que l'effet électrocinétique est compatible avec la détection de SES à plusieurs centaines de kilomètres, les autres explications nécessitent un mécanisme secondaire pour expliquer la propagation des signaux sur de telles distances. Ce mécanisme secondaire pourrait être :

• La propagation des SES le long des plans de failles. La modélisation montre que les signaux se propagent en étant peu atténués le long des failles tectoniques à cause de la plus grande conductivité électrique de ces zones. Cette conductivité est due soit à la présence de fluides chargés électriquement, soit aux propriétés ioniques des minéraux qui s'y trouvent.
• L'effet pile électrique de la roche. Une roche soumise à des contraintes tectoniques élevées voient les charges électriques "dormantes" s'activer. Ces charges transforment la croûte terrestre en pile électrique et le courant peut circuler entre le pôle chargé (roche sous contrainte) et le pôle non chargé (roche sans contrainte). Dans le modèle cristallographique des défauts ponctuels les charges dormantes peuvent être soit des électrons libres, soit des trous d'électrons. La zone de transition entre roche sous contrainte et roche sans contrainte pourrait jouer le rôle de barrière filtrante, laissant passer uniquement les charges positives mais pas les négatives.

L'analyse par « temps naturel »

Principe

En 2001, le groupe de recherche travaillant sur la méthode VAN présente le concept de « temps naturel » dans le but d'améliorer la précision de l'estimation de la fenêtre de temps du séisme prédit. Ce concept est une nouvelle technique d'analyse des séries temporelles qui met l'accent sur la succession et le nombre des événements, remplaçant la mesure traditionnelle du temps. Deux quantités caractérisent chaque évènement, le temps naturel χ, et l'énergie Q. χ est défini comme k/N, où k est un nombre entier (le k -ème événement) et N est le nombre total d'événements dans la séquence temporelle. Un terme connexe, p_k, est le rapport Q_k / Q_total, qui décrit l'énergie fractionnelle libérée.

Les auteurs introduisent un terme critique κ, la « variance en temps naturel », qui donne un poids supplémentaire au terme d'énergie p_k :

$\kappa =\sum _{k=1}^{N}p_{k}(\chi _{k})^{2}-{\bigl (}\sum _{k=1}^{N}p_{k}\chi _{k}{\bigr )}^{2}$

où $\textstyle \chi _{k}=k/N$ et $\textstyle \ p_{k}={\frac {Q_{k}}{\sum _{n=1}^{N}Q_{n}}}$

La première étape est de calculer la variance pour tous les événements électriques enregistrés, afin de trier les vrais SES des signaux parasites. La méthode juge le SES valide lorsque κ = 0,070. La seconde étape se concentre sur l'analyse des événements sismiques (et non pas électriques). Ces événements sismiques sont alors répartis géographiquement selon un diagramme de Venn, avec au moins deux événements par intersection. Quand la variance κ atteint la valeur de 0,070 dans une intersection, un séisme paraît imminent et un rapport d'alerte est publié.

Résultats

Cycle sismique : mise en charge de la faille par augmentation progressive des contraintes, puis rupture quasi instantanée.

L'équipe VAN affirme que sur les sept séismes de magnitude (Mw) supérieure ou égale à 6, ayant eu lieu entre 2001 et 2010 dans une région comprise entre 36° et 41° de latitude Nord et 19° et 27° de longitude Est (c'est-à-dire un rectangle comprenant la Grèce continentale et la majeure partie de la mer Egée, à l'exception de la Crète), tous sauf un furent prédit par la méthode VAN et l'analyse par temps naturel. De plus, l'équipe affirme que la fenêtre de prédiction temporelle pour quatre de ces séismes était « restreinte, de l'ordre de quelques jours à une semaine ». Les rapports de prédiction sont disponibles sur le site ArXiv. Une description détaillée de la méthode VAN mise à jour avec l'analyse par temps naturel se trouve dans un livre publié par l'équipe en 2011 : Natural Time Analysis : The New View of Time.

L'analyse par temps naturel permet de définir la relation physique entre SES et séismes de la façon suivante : en considérant que le déclenchement du séisme est une transition de phase (phénomène critique) dans laquelle la nouvelle phase est le séisme lui-même, le terme κ défini plus haut est le paramètre définissant l'ordre de la transition. La valeur de κ étant calculée pour une fenêtre temporelle comprenant un nombre de séismes équivalent au nombre moyen de séismes pendant plusieurs mois, elle varie lorsque cette fenêtre se déplace pour scanner un catalogue de séismes. L'équipe VAN explique que ces variations de κ sont minimales quelques mois avant un séisme majeur et que de plus ce minimum est simultané du début de l'activité SES. Ce serait la première fois que, dans la littérature scientifique, l'apparition simultanée de deux phénomènes précurseurs de séismes provenant de données géophysiques différentes est décrite.

Une maison effondrée après un séisme en 2021, en Crète.

L'équipe affirme également que l'analyse par la technique du temps naturel des registres sismologiques japonais sur la période 1984-2011 révèle que les minima de κ sont identifiables avant chaque séisme de magnitude supérieure ou égale à 7,6. Le plus bas de ces minima est observé en janvier 2011, soit deux mois avant le séisme de Tohoku de magnitude 9,1 (la plus élevée enregistrée dans le monde depuis 1964). Des analyses plus poussées sont effectuées en divisant le Japon en zones plus petites. Celles-ci révèlent que des minima de la variance κ sont observables simultanément à différentes échelles, dans les plus petites zones, mêmes éloignées de l'épicentre du séisme, aussi bien que dans la plus grande couvrant l'ensemble du Japon.

Historique

Dans les années 1980 il y a jusqu'à 17 stations de détection des SES réparties en Grèce continentale ; dans les années 1990 ce nombre tombe à 9.

L'équipe de recherche VAN affirme être capable de prédire les séismes de magnitude 5 ou supérieure (avec une erreur de magnitude de 0,7), dans un rayon de 100 km, et dans une fenêtre temporelle allant de quelques heures à plusieurs semaines. Plusieurs publications scientifiques confirment la réussite de la méthode en Grèce, avec des statistiques probantes. Par exemple, sur la période allant du 1er janvier 1984 au 1er septembre 1995 il y a eu en Grèce huit séismes de magnitude supérieure à 5,5 et le dispositif VAN en a prédit six.

En France, un réseau de type VAN est installé dans le nord des Alpes en 1989. Quatre ans plus tard, les premiers résultats publiés semblent encourageants.

Au Japon, en 2009, la méthode VAN mise à jour est testée rétroactivement sur les données enregistrées lors de la crise sismique des îles Izu en l'an 2000, avec un certain succès d'après les auteurs.

Critiques de la méthode VAN

L'utilité de la méthode VAN pour prédire les séismes et prévenir leurs conséquences a toujours fait débat. Une compilation des critiques positives et négatives est publiée en 1996 à la suite d'un colloque organisé sous la direction de Sir James Lighthill : A Critical Review of VAN. Un article très critique est publié par les sismologues américains Geller et Kagan dans la revue Science en 1997. Concernant la version historique de la méthode VAN (avant 2001 et l'analyse par temps naturel), les principales critiques sont les suivantes.  

Succès de prédiction

Les critiques disent que la méthode VAN est entravée par un manque de tests statistiques fiables de la validité de l'hypothèse parce que les chercheurs ne cessent de changer les paramètres en cours de route.

Vue de Chios détruite par le séisme de 1881. Gravure de Charles Barbant, 1905.

En 1981, l'équipe VAN affirme avoir observé dans une station d'enregistrement à Athènes une corrélation parfaite entre des SES et un séisme de magnitude 2,9 qui s'est produit 7 heures plus tard. Cependant, le sismologue américain Max Wyss déclare que la liste de séismes utilisée pour effectuer la corrélation était erronée. Bien que l'équipe VAN déclare dans l'article publié que la liste des séismes est celle du bulletin de l'Observatoire national d'Athènes (ONA), Wyss constate que 37% des séismes répertoriés dans le bulletin, y compris le plus important, ne sont pas dans la liste utilisée par VAN. De plus, 40% des séismes qui, selon l'équipe VAN, se sont produits ne figurent pas dans le bulletin de l'ONA. En examinant la probabilité de corrélation aléatoire d'un autre ensemble de vingt-deux prédictions considérées comme réussies par VAN (pour des séismes de Mw>4,0 du 1er janvier 1987 au 30 novembre 1989) Wyss constate que 74 % sont fausses, 9 % sont corrélées par hasard, et pour 14 % la corrélation semble incertaine. Aucun événement unique n'est corrélé avec une probabilité supérieure à 85 %, alors que le niveau requis dans les statistiques pour accepter un test d'hypothèse comme positif serait plus communément de 95 %. En réponse à l'analyse de Wyss, l'équipe VAN déclare que les critiques sont fondées sur des malentendus. Les auteurs déclarent que les calculs suggérés par Wyss conduisent à un paradoxe, c'est-à-dire à des valeurs de probabilité supérieures à un (ce qui est impossible), lorsqu'ils sont appliqués à une méthode idéale de prédiction des séismes. D'autres évaluations par des pairs concluent au contraire que VAN obtient des résultats statistiquement significatifs.

Beaucoup de sismologues ne sont pas convaincus par les résultats de l'équipe VAN. En 2011, la Commission internationale pour la prévision des séismes et la protection des civils (International Commission on Earthquake Forecasting for Civil Protection, ICEF) conclut que la fiabilité de capacité de prédiction revendiquée par VAN ne pouvait pas être validée. D'après Susan Hough de l'USGS la plupart des sismologues considèrent que la méthode VAN a été « brillamment démystifiée ». Cependant, l'équipe japonaise de Seiya Uyeda et d'autres sismologues soutiennent l'utilisation de la méthode VAN.

En 2018, la signification statistique de la méthode est réévaluée par le groupe VAN en utilisant des techniques modernes, telles que l'analyse de coïncidence des événements (ECA : event coincidence analysis) et les attributs de fonctionnement des récepteurs (ROC : receiver operating characteristic). Leurs résultats indiquent que les SES présentent des signes précurseurs de séisme bien au-delà du hasard statistique.

Mécanisme de propagation des SES

Selon des chercheurs français, une analyse des propriétés de propagation des SES dans la croûte terrestre montre qu'il est impossible que des signaux avec l'amplitude rapportée par VAN aient pu être générés par de petits séismes et transmis sur plusieurs centaines de kilomètres. En effet, si le mécanisme est basé sur la piézoélectricité ou la charge électrique des déformations cristallines avec le signal voyageant le long des failles, alors aucun des séismes qui, selon l'équipe VAN, étaient précédés de SES n'a pu générer de SES lui-même. L'équipe VAN répond qu'une telle analyse des propriétés de propagation des SES se base sur un modèle simplifié de la Terre en couches horizontales, ce qui diffère considérablement de la situation réelle car la croûte terrestre contient des inhomogénéités. Lorsque ces dernières sont prises en compte, par exemple en considérant que les failles sont électriquement plus conductrices que le milieu environnant, l'équipe estime que les signaux électriques transmis sur des distances de l'ordre d'une centaine de kilomètres ont des amplitudes comparables à celles rapportées dans ses publications.

Problèmes de compatibilité électromagnétique

Les publications de l'équipe VAN sont critiquées par une équipe franco-grecque (issue de l'Institut de physique du globe de Paris et de l'Observatoire national d'Athènes) pour l'incapacité à éliminer des nombreuses sources parasites de changement du champ magnéto-électrique qu'elle mesure, telles que les courants telluriques et les interférences électromagnétiques (IEM) produites par les usages anthropiques. En 1998, un premier article corrèle clairement un SES utilisé par le groupe VAN avec des transmissions radioélectriques effectuées à partir d'une base militaire. Dans leur réponse, VAN déclare qu'un tel bruit provenant des émetteurs radio de la base de données militaire peut clairement être distingué d'un vrai SES en suivant les critères développés par VAN. En 2002, des travaux supplémentaires par la même équipe franco-grecque tracent les «signaux électriques transitoires anormaux» de type SES jusqu'à des sources humaines spécifiques, et constatent que ces signaux ne sont pas exclus par les critères utilisés par VAN.

En 2003, des méthodes modernes de physique statistique, telles que l'analyse des fluctuations de tendance (DFA), la DFA multifractale et la transformée en ondelettes, révèlent que les SES se distinguent clairement des signaux d'origine anthropique, puisque les premiers présentent de très fortes corrélations à longue distance tandis que les seconds ne le font pas.

Une étude publiée en 2020 examine la signification statistique des minima des fluctuations du paramètre d'ordre κ1 de la sismicité, tant au niveau régional que global, par l'analyse des coïncidences d'événements en tant que précurseur possible de forts séismes. Les résultats montrent que ces minima sont bien des précurseurs de séismes statistiquement significatifs. En particulier, dans les études régionales, le décalage temporel s'est avéré entièrement compatible avec la découverte selon laquelle ces mimima sont simultanées avec le début de l'activité SES. Ainsi la distinction entre les SES et les signaux produits par des sources humaines parait évidente.

Politique publique

Une exigence pour toute méthode de prédiction des séismes est que, pour qu'elle soit utile, elle puisse prédire un séisme à venir avec une précision raisonnable une date, une localisation et une magnitude. Si la prédiction est trop vague, aucune décision réalisable (comme évacuer la population d'une zone délimitée pendant une période de temps donnée) ne peut être prise. En pratique, le groupe VAN a diffusé avec succès une série d'alertes dans les années 1980. Au cours de la même période, la méthode a également manqué des séismes majeurs, en ce sens que « pour les séismes avec Mb≥5,0, le rapport entre le nombre prévu et le nombre total de séismes est de 6/12 (50 %) et le succès du taux de prédiction est également de 6/12 (50%) avec un gain de probabilité d'un facteur 4. Avec un niveau de confiance de 99,8%, la possibilité que ce taux de réussite soit expliqué par un modèle aléatoire d'occurrence des séismes prenant en compte le facteur régional qui inclut une forte sismicité dans la zone de prédiction, peut être rejetée. » Cette étude conclut que « l'examen statistique des prédictions de SES a prouvé des taux élevés de prédiction de succès et prédit des événements avec un gain de probabilité élevé. Cela suggère une connexion physique entre les SES et les séismes ultérieurs, au moins pour un événement de magnitude Ms≥5.»

Les prédictions de la première méthode VAN ont suscité des critiques publiques et le coût associé aux fausses alarmes a généré de la rancœur.

Méthode VAN améliorée (2020)

Un examen de la méthode VAN mise à jour en 2020 indique qu'elle souffre d'une abondance de faux positifs et n'est donc pas utilisable comme protocole de prédiction. L'équipe VAN produit alors une réponse argumentée en identifiant divers malentendus dans le raisonnement mené.

Voir aussi

• Prédiction des séismes
• Sismologie

Références

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Liens externes

• Débats dans Nature. La prédiction fiable des séismes est-elle un objectif scientifique réaliste ?
• Méthode de prévision des séismes VAN .
• Bibliographie de P. Varotsos (principal auteur des articles "VAN").