La prévision des tsunamis est-elle possible ? Ici, une vue d'artiste d'un tsunami géant. © Ig0rZh, Fotolia

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Prévision des tsunamis : il serait possible de prédire le pire

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Prédire correctement la puissance d'un séisme et du tsunami pouvant être créé peut parfois prendre plusieurs heures, avec le risque de sous-estimer l'ampleur du phénomène. Une nouvelle technique, basée sur les modifications du champ de gravitation lors du tremblement de terre, semble prometteuse. Elle pourrait livrer ses résultats en quelques minutes seulement.

Depuis les travaux des pionniers de la sismologie à la fin du XIXe et au début du XXe siècle, la Terre s'est couverte de sismomètres et les géophysiciens, qu'ils soient sismologues, géomagnéticiens ou spécialistes de la gravimétrie, ont fait d'énormes progrès. Il reste malheureusement toujours impossible de prédire les tremblements de terre, bien que les scientifiques comprennent mieux les mécanismes les produisant, tout comme les raisons de leur localisation. Les progrès dans le domaine de la puissance de calcul des ordinateurs, et aussi dans celui de l'intelligence artificielle, avec le fameux « deep learning », pourront peut-être nous permettre de progresser, mais cela reste encore à démontrer.

Il existe des régions du globe où les tremblements de terre sont particulièrement meurtriers, de façon indirecte. On se souvient encore du terrible tsunami du 26 décembre 2004 à Sumatra, en Indonésie, et de son impact sur la Thaïlande. Il aurait fait au moins 220.000 morts. Si nous ne pouvons prédire ce type de catastrophes, il est néanmoins possible de détecter l'occurrence d'un séisme, d'évaluer sa puissance et d'alerter les populations à quelques milliers de kilomètres pour qu'elles évacuent en cas de danger.

Malheureusement, affiner l'évaluation de la puissance d'un tremblement de terre peut demander plusieurs heures, ce qui peut laisser penser que le danger est faible alors que ce n'est pas le cas. Or, une équipe internationale de chercheurs du CNRS, de l'IPGP, de l'université Paris-Diderot et du célèbre Caltech de Feynman et Thorne, en Californie, a publié dans Science un article faisant état d'une remarquable découverte.

Une illustration en images de synthèse de la relation entre séisme et tsunami. © NOAA

Les séismes modifient le champ de gravitation à la vitesse de la lumière

Lorsqu'un séisme se produit, des masses sont redistribuées, ce qui modifie le champ de gravitation de la Terre. Les ondes sismiques elles-mêmes vont faire changer ce champ en comprimant et déplaçant les roches. Ces modifications peuvent sembler faibles mais les géophysiciens font des prodiges depuis des décennies avec des gravimètres. Ils peuvent, par exemple, déduire de ce champ la présence de poches de pétrole ou des informations sur le magma dans un volcan en surveillance. Les modifications du champ de gravitation vont elles-mêmes modifier la répartition des roches, ce qui va générer des signaux sismiques secondaires.

En réponse, le champ de gravitation se modifie de proche en proche à la vitesse de la lumière (300.000 km/s), alors que la célérité des ondes sismiques est comprise entre 3 et 10 km/s. Ainsi, pour des sismomètres situés à 1.000 km de l'épicentre d'un séisme, l'alerte peut être donnée plus de deux minutes avant l'arrivée des ondes sismiques. En soi, ce délai est toujours trop court pour avertir d'un séisme et la mesure de ces modifications du champ de gravitation n'aide donc en rien. Mais, ce qui change la donne, c'est que l'estimation correcte de la puissance est obtenue en quelques minutes, au lieu de quelques heures, en analysant les signaux combinés des modifications du champ de gravitation et les ondes sismiques résultant de ces modifications. Cela permet de savoir s'il est nécessaire, ou pas, de faire évacuer des populations potentiellement menacées par un tsunami.

La carte, en haut, indique la localisation des sismomètres (triangles) ayant détecté un signal précoce à la suite du séisme de Tohoku (étoile) du 11 mars 2011 (Japon, magnitude 9,1). On se focalise ici sur une station située à l'est de la Chine (MDJ), à 1.280 km du séisme. À ces distances, les ondes sismiques directes arrivent environ 165 s après le temps d'origine, comme indiqué dans l’encart, en haut sur la carte. Cependant, bien que d’amplitude beaucoup plus faible, un signal clair est détecté par le sismomètre avant ces ondes directes (signal précoce). L’origine de ce signal se comprend en se plaçant à des temps compris entre le temps d'origine et celui de l’arrivée des ondes : par exemple, environ 55 s après le déclenchement du séisme, les ondes sismiques se sont propagées dans le volume indiqué en gris sur la carte, et sont sur le point d’atteindre la station MAJO. À l’intérieur de ce volume, les ondes causent des compressions et des dilatations du milieu, comme indiqué dans la coupe du bas. La contribution globale de toutes ces zones, dont la masse change, conduit à une modification immédiate de la gravité détectée par le sismomètre (effet direct). Le champ gravitationnel est également perturbé partout dans la terre, et chacune de ces perturbations est une force à l’origine d’ondes sismiques secondaires (effet induit). Dans le volume à proximité du sismomètre (indiqué en vert), ce champ sismique secondaire arrive avant les ondes directes. Le sismomètre enregistre ainsi, avant les ondes sismiques directes, un signal élasto-gravitaire découlant des effets direct et induit des perturbations de gravité. © IPGP

Les chercheurs sont arrivés à ce résultat étonnant en analysant les données géophysiques mesurées lors du grand séisme de magnitude 9,1 survenu au Japon en 2011. Une dizaine de sismomètres situés entre 500 et 3.000 km de l'épicentre du séisme avaient alors été affectés, aussi bien par les changements du champ de gravitation que par les signaux sismiques (le changement de gravitation se produisant à l'emplacement d'un sismomètre modifie en effet la position d'équilibre de la masse de l'instrument).

Forts de ce succès, les géophysiciens voudraient développer des techniques leur permettant d'évaluer des intensités de séismes de magnitudes inférieures à 8-8,5, car en dessous de ce seuil, le signal est trop faible par rapport au bruit sismique naturellement émis par la Terre pour pouvoir émerger clairement dans les instruments. Mais peut-être que les techniques développées pour faire émerger des signaux aussi faibles que ceux chassés dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles en astrophysique pourraient apporter la solution à ces problèmes.

Pour en savoir plus

Prévision des tsunamis en trois secondes

Article ADIT BE Japon publié le 19/08/2004

La Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) a mis au point une technique qui prédit précisément la hauteur des tsunamis, trois secondes après qu'un séisme se soit produit.

La nouvelle technologie utilise les câbles déposés au fond de la mer et qui sont utilisés pour surveiller les tremblements de terre dans des régions comme le Tokai, le Sanriku ou l'île de Shikoku. Elle mesure les variations de la pression de l'eau immédiatement après le séisme avec un manomètre attaché au câble. Ce système permet de déterminer à quelques mètres près la hauteur maximale de la vague du tsunami. La rapidité de la prévision donnera plus de temps à l'Agence Météorologique japonaise pour déclencher l'évacuation des habitants des zones côtières.

Le groupe de chercheurs de la JAMSTEC a déjà pu prouver avec succès l'efficacité du système quand un séisme s'est produit au large de Tokaichi sur la côte de l'île d'Hokkaido en septembre dernier.

  • Lorsqu'un tremblement de terre se produit, les masses et les densités des roches sont redistribuées par les mouvements de celles-ci et par les ondes sismiques qui les parcourent. En réponse, le champ de gravitation est changé lui aussi, ce qui affecte certains détecteurs de façon mesurable à des centaines, voire des milliers, de kilomètres.
  • Ces variations du champ de gravitation permettent d'estimer en quelques minutes (au lieu de plusieurs heures) la puissance d'un séisme et, donc, l'amplitude potentielle du tsunami qui pourrait être créé.
  • L'alerte pour une évacuation des populations menacées pourrait donc être donnée avec une plus grande fiabilité.
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