Μέθοδος ΒΑΝ

Η Μέθοδος ΒΑΝ είναι πειραματική ερευνητική μέθοδος για την πρόγνωση σεισμών που προτάθηκε το 1981. Η πρόβλεψη των σεισμών σύμφωνα με τη μέθοδο ΒΑΝ βασίζεται κυρίως στην ανίχνευση των σεισμικών ηλεκτρικών σημάτων (SES, Seismic Electric Signals). Στα πλαίσια της έρευνας αυτής εισήχθη το 2001 και η έννοια του «φυσικού χρόνου».

Η ομάδα ΒΑΝ

Το όνομα ΒΑΝ είναι ακρωνύμιο που σχηματίζεται από τα αρχικά των ονομάτων των τριών Ελλήνων επιστημόνων Παναγιώτης Βαρώτσος, Καίσαρ Αλεξόπουλος και Κωνσταντίνος Νομικός.

Σήμερα η ομάδα ΒΑΝ εδρεύει στο Ινστιτούτο Φυσικής του Στερεού Φλοιού της Γης (Solid Earth Physics Institute - S.E.P.I.) που στεγάζεται στο Πανεπιστήμιο Αθηνών. Ενεργό επιστημονικό προσωπικό του Ινστιτούτου σήμερα είναι ο καθηγητής Παναγιώτης Βαρώτσος, ο αναπληρωτής καθηγητής Νικόλαος Σαρλής, ο επίκουρος καθηγητής Ευθύμιος Σκορδάς και η δρ. Μαίρη Λαζαρίδου. Από την ευρύτερη ελληνική σεισμολογική κοινότητα η ομάδα ΒΑΝ συνεργάζεται με τον καθηγητή Άκη Τσελέντη του Πανεπιστημίου Πατρών και τον ερευνητή Γεράσιμο Χουλιάρα του Γεωδυναμικού Ινστιτούτου Αστεροσκοπείου Αθηνών.

Σεισμικά ηλεκτρικά σήματα

Τα σεισμικά ηλεκτρικά σήματα (SES) εμφανίζονται κατά την μηχανική καταπόνηση των πετρωμάτων στην περιοχή ενός τεκτονικού ρήγματος που προηγείται της θραύσεως και επομένως της εκπομπής σεισμικών κυμάτων. Η παραγωγή τους οφείλεται είτε στην πιεζοηλεκτρική συμπεριφορά πολλών ορυκτών, όπως π.χ. του χαλαζία ή στη μετανάστευση ατελειών του κρυσταλλικού πλέγματος. Έχουν προταθεί τέσσερις υποθέσεις (μοντέλα) για την ερμηνεία παραγωγής SES με τον δεύτερο μηχανισμό. Το μοντέλο που προτάθηκε από τους Βαρώτσο και Αλεξόπουλο για την παραγωγή των SES έχει ως εξής. Πριν από έναν σεισμό, η τάση (stress) στη μελλοντική εστιακή περιοχή αυξάνεται σταδιακά. Όταν η τάση αυτή φθάσει σε μια κρίσιμη τιμή, τα ηλεκτρικά δίπολα που υπήρχαν στην περιοχή αυτή λόγω ατελειών του κρυσταλλικού πλέγματος και είχαν αρχικά τυχαίο προσανατολισμό, αποκτούν όλα μαζί τον ίδιο προσανατολισμό με συνέπεια η ηλεκτρική πόλωση στην περιοχή να αυξάνεται σημαντικά και έτσι να εκπέμπεται ένα παροδικό (transient) ηλεκτρικό σήμα, που είναι το SES. Η εκπομπή SES δηλαδή σηματοδοτεί ότι το σύστημα εισέρχεται σε κρίσιμη φάση. Το πλάτος των SES σχετίζεται άμεσα με το μέγεθος του επικείμενου σεισμού και συγκεκριμένα ο λογάριθμος του πλάτους των SES αυξάνεται γραμμικά με το μέγεθος του επικείμενου σεισμού. Ο συσχετισμός αυτός επιβεβαιώνεται με την αυτοομοιότητα των SES και του σεισμού που ως δομές φράκταλ περιγράφονται με τον ίδιο νόμο δύναμης ως κρίσιμα φαινόμενα με όρους αλλαγής φάσεων δευτέρου είδους. Τα σεισμικά ηλεκτρικά σήματα διαδίδονται με μικρή εξασθένηση κατά μήκος τεκτονικών ρηγμάτων, λόγω της αυξημένης ηλεκτρικής αγωγιμότητας που κατά πάσα πιθανότητα προκαλεί η διείσδυση νερού σε αυτά και ίσως λόγω μηχανισμών που σχετίζονται με τον ιοντικό χαρακτήρα των πετρωμάτων.

Πρόγνωση Σεισμών με τη μέθοδο ΒΑΝ

Τα σεισμικά ηλεκτρικά σήματα ανιχνεύονται από σταθμούς οι οποίοι αποτελούνται από ηλεκτρόδια βυθισμένα στη Γη , ενισχυτές και φίλτρα, μεταδίδονται τηλεμετρικά μέσω τηλεφωνικών γραμμών και καταγράφονται στην έδρα της ομάδας ΒΑΝ, στη Γλυφάδα Αττικής. Σήμερα η ομάδα ΒΑΝ είναι σε θέση να συντηρεί μόνο 9 τέτοιους σταθμούς διεσπαρμένους στην ελληνική επικράτεια, έναντι 17 που διέθετε ως το 1989. Οι σταθμοί ΒΑΝ παρουσιάζουν αξιοσημείωτη χωρική επιλεκτικότητα, π.χ. ο σταθμός IOA των Ιωαννίνων αποκρίνεται σε σεισμικά ηλεκτρικά σήματα που προέρχονται από την περιοχή της δυτικής Πελοποννήσου και του νότιου Ιονίου. Με γνώση της έντασης των ηλεκτρικών σημάτων και κυρίως της επιλεκτικότητας των σταθμών μπορεί να εκτιμηθεί η περιοχή, ο χρόνος και το μέγεθος ενός επερχόμενου σεισμού.
Για διαχωρισμό των SES από τις πάσης φύσεως ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές σε κάθε σταθμό ΒΑΝ υπάρχουν τουλάχιστον δυο δίπολα (ζεύγη ηλεκτροδίων) μεγάλου μήκους (λίγων km) κάθετα μεταξύ τους και επιπλέον μερικά δίπολα μικρού μήκους (δεκάδων ή εκατοντάδων μέτρων). Για να γίνει δεκτό ως SES, ένα ηλεκτρικό σήμα πρέπει να έχει περίπου την ίδια αναλογία μεταβολής της διαφοράς δυναμικού (ΔV) μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων προς το μήκος του διπόλου (L) σε όλα τα δίπολα του ίδιου προσανατολισμού, ασχέτως του μήκους τους. Σήματα των οποίων ο λόγος ΔV/L είναι σημαντικά διαφορετικός ανάμεσα σε δίπολα διαφορετικού μήκους και του ίδιου προσανατολισμού, απορρίπτονται.
Πριν από μεγάλους σεισμούς καταγράφονται πολλά SES μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα (από μερικές ώρες ως μερικές ημέρες), φαινόμενο που ονομάζεται «SES activity». Το χρονικό διάστημα που παρεμβάλλεται μεταξύ της SES activity και του επικείμενου σεισμού μπορεί να είναι από λίγες εβδομάδες ως μερικούς μήνες. Το 2001 η ομάδα ΒΑΝ προκειμένου να προσδιορίσει ακριβέστερα το παράθυρο χρόνου μέσα στο οποίο γίνεται ο επικείμενος σεισμός εισήγαγε μια νέα έννοια του χρόνου που ονομάζεται «φυσικός χρόνος» (natural time). Επιπρόσθετα η ανάλυση στο πεδίο του φυσικού χρόνου εκτιμάται ότι βοηθά στον εντοπισμό των SES ακόμη και σε πολύ υψηλά επίπεδα θορύβου όπου υπάρχει μεγάλη απώλεια πληροφορίας στις καταγραφές.
Η μέθοδος ΒΑΝ έχει υιοθετηθεί επίσης για την μελέτη σεισμών και σεισμικών φαινομένων στην Ιαπωνία.
Επιπρόσθετα έχει μελετηθεί το μαγνητικό πεδίο που ακολουθεί το αντίστοιχο ηλεκτρικό των SES. Το μαγνητικό πεδίο είναι πολύ διεισδυτικό και μπορεί να ανιχνευθεί σήμα πέραν των χώρων επιλεκτικότητας των SES. Εκτιμάται ότι η παρακολούθηση των μαγνητικών διαταραχών δίνει προσεισμικό σήμα για υποθαλάσσιους σεισμούς. H διαφορά χρόνου με την οποία καταγράφονται τα δύο σήματα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον υπολογισμό της απόστασης του σταθμού μέτρησης από το επίκεντρο.

Πειραματική διερεύνηση

Η παραγωγή σεισμικών ηλεκτρικών σημάτων έχει μελετηθεί πειραματικά σε εργαστηριακές συνθήκες από τον αναπληρωτή καθηγητή του Εργαστηρίου Στερεάς Κατάστασης Πανεπιστημίου Αθηνών Βασίλειο Χατζηκωντή και τους συνεργάτες του. Στα πειράματα αυτά διάφορα πετρώματα κομμένα σε μορφή κύβου μεγέθους ως δύο περίπου εκατοστών υποβάλλονται σε ελεγχόμενη καταπόνηση σε πρέσα σύνθλιψης. Ταυτόχρονα καταγράφονται οι ηλεκτρομαγνητικές και ακουστικές εκπομπές του πετρώματος μέχρι τη στιγμή της θραύσης. Η διάταξη στο σύνολό της είναι προστατευμένη από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Τα αποτελέσματα του Χατζηκωντή συμφωνούν με τα αποτελέσματα της παρατήρησης στο πεδίο (δηλαδή σε σεισμικά φαινόμενα). Συγκεκριμένα διαπιστώνεται ότι όταν το πέτρωμα δώσει ηλεκτρικό σήμα πιεζόμενο, αν παραμείνει στην ίδια πίεση θα οδηγηθεί οπωσδήποτε σε θραύση. Αν όμως η πίεση ελαττωθεί, η θραύση είτε θα καθυστερήσει είτε δε θα γίνει. Αν αυξηθεί η πίεση, τότε η θραύση θα συμβεί νωρίτερα από τον αναμενόμενο χρόνο, ο οποίος εξαρτάται και από την φύση του υλικού. Τέλος αν το πέτρωμα δεν έχει καταπονηθεί σε βαθμό που να δώσει ηλεκτρικό σήμα, τότε δεν θα συμβεί θραύση ακόμα και αν η πίεση παραμείνει για μακρό διάστημα.
Μεταφέροντας τα ευρήματα αυτά στα τεκτονικά ρήγματα, σημειώνεται ότι οι τάσεις που προκαλούνται λόγω των μετακινήσεων των τεκτονικών πλακών σπάνια υποχωρούν πριν την θραύση (σεισμό). Έτσι η εκπομπή σεισμικών ηλεκτρικών σημάτων αναμένεται να ακολουθείται σχεδόν πάντα από σεισμό.

Κριτική στη μέθοδο ΒΑΝ

Η μέθοδος ΒΑΝ αντιμετωπίσθηκε σχεδόν εξ αρχής επικριτικά από τους Έλληνες σεισμολόγους. Οι σχετικές συζητήσεις ήταν έντονες και απασχόλησαν κατά καιρούς τα ΜΜΕ. Ιδιαίτερα αρνητικές απόψεις εκφράσθηκαν από τους Γ. Παπαζάχο, Ι. Δρακόπουλο και Γ. Σταυρακάκη. Αντίθετα ο Α. Τσελέντης αποδέχεται τα ευρήματα της ομάδας ΒΑΝ. Σε όσες από τις επικρίσεις εκφράσθηκαν μέσα από επιστημονικά περιοδικά η ομάδα ΒΑΝ δημοσίευσε σχετικές απαντήσεις. 
Η αξιοπιστία, ακρίβεια και χρησιμότητα της μεθόδου ΒΑΝ έγιναν αντικείμενο έντονων επιστημονικών συζητήσεων από τα μέλη της διεθνούς σεισμολογικής κοινότητας στα μέσα της δεκαετίας 1990. Σχετικά οργανώθηκε διεθνές συνέδριο με τίτλο «A Critical Review of VAN» από την Royal Society του Λονδίνου (11-12 Μαΐου 1995) στο οποίο οι διάφορες απόψεις συνοψίστηκαν στα πρακτικά του συνεδρίου, που κυκλοφόρησαν σε βιβλίο από τον Πρόεδρο του συνεδρίου Sir James Lighthill, από τον διεθνή εκδοτικό οίκο «World Scientific». Έντονα αρνητική θέση εντός του συνεδρίου έλαβαν ο R. J. Geller, ο οποίος πιστεύει ότι η πρόγνωση των σεισμών είναι εγγενώς αδύνατη, και ο M. Wyss. Αντίθετα, οι στατιστικές αναλύσεις που δημοσίευσαν οι Park, Stauss και Aceves καθώς και ο K. Hamada δείχνουν ότι οι προβλέψεις της ομάδας ΒΑΝ μπορούν να συσχετισθούν θετικά με συγκεκριμένους σεισμούς.
Οι παραπάνω κριτικές δημοσιεύτηκαν πριν το 2001, έτος στο οποίο η ομάδα ΒΑΝ εισήγαγε την έννοια του φυσικού χρόνου. Έκτοτε δεν έχει δημοσιευθεί σχετική κριτική.

Φυσικός χρόνος

Η ανάλυση στον φυσικό χρόνο αποδεικνύεται ότι εξάγει τη μέγιστη δυνατή πληροφορία από μία χρονοσειρά (σειρά γεγονότων).

Ανάλυση στον φυσικό χρόνο

Μια χρονοσειρά που αποτελείται από Ν γεγονότα αναλύεται στον φυσικό χρόνο χ (natural time analysis) ως εξής:
Το γεγονός τάξεως k (1,2,3,... Ν) χαρακτηρίζεται από το ζεύγος χₖ,Qₖ όπου το χₖ είναι ο λόγος k/Ν και Qₖ η ενέργεια του k γεγονότος. Αντί για την ενέργεια Qₖ χρησιμοποιείται συνήθως η παράμετρος pₖ που είναι ο λόγος Qₖ/Q που δείχνει την ποσοστιαία ενέργεια που εκλύεται από το γεγονός k σε σύγκριση με τη συνολική ενέργεια Q που εκλύεται πό όλα μαζί τα Ν γεγονότα. H διασπορά κ₁ του φυσικού χρόνου ορίζεται ως εξής:
όπου Σ είναι το άθροισμα των όρων από k=1 ως k=Ν. Θεωρώντας ότι όταν συμβαίνει ένας σημαντικός σεισμός πρόκειται για αλλαγή φάσης (κρίσιμο φαινόμενο), όπου η νέα φάση είναι το κύριο σεισμικό γεγονός, η ποσότητα κ₁ είναι η αντίστοιχη παράμετρος τάξεως που μας καθορίζει πόσο κοντά έχουμε πλησιάσει στο κρίσιμο σημείο (δηλαδή στο κύριο σεισμικό γεγονός). Για να προσδιοριστεί ακριβέστερα το παράθυρο χρόνου του επικείμενου σεισμού γίνεται ανάλυση στον φυσικό χρόνο των μικρών σεισμικών γεγονότων που συμβαίνουν αμέσως μετά την έναρξη της SES activity στην περιοχή που έχει εκτιμηθεί από τις ιδιότητες των SES ότι θα συμβεί ο επικείμενος σεισμός. Για κάθε νέο μικρό σεισμικό γεγονός που συμβαίνει γίνεται ανάλυση της ως τότε σειράς των σεισμικών γεγονότων και επανυπολογίζεται η παράμετρος κ₁. Όταν αυτή φθάσει την κρίσιμη τιμή κ₁=0.070 το σύστημα έχει προσεγγίσει το κρίσιμο σημείο και ο κύριος σεισμός συμβαίνει μετά από μερικές ώρες ως και λίγες ημέρες.

Αποτελέσματα

Με τη μέθοδο αυτή η ομάδα ΒΑΝ έχει προβέψει επιτυχώς τους 25 από τους 28 σημαντικότερους σεισμούς που συνέβησαν από το 2001 ως και το 2010 στην Ελλάδα, στην περιοχή που περιλαμβάνεται στις συντεταγμένες 36° ως 41° γεωγραφικό πλάτος και 19° ως 27° γεωγραφικό μήκος. Μεταξύ των σεισμών αυτών συμπεριλαμβάνεται και ο σεισμός μεγέθους (Mw) 6,9 που σημειώθηκε κοντά στη Μεθώνη στις 14 Φεβρουαρίου 2008 που είναι ο ισχυρότερος σεισμός που συνέβη στον ελληνικό χώρο μετά το 1983 (καθ' όλη τη διάρκεια λειτουργίας του τηλεμετρικού δικτύου ΒΑΝ).
Η ανάλυση στον φυσικό χρόνο έφερε στην επιφάνεια και ένα νέο σημαντικό γεγονός που αποδεικνύει την απ' ευθείας συσχέτιση των SES activities με τους σεισμούς ως ακολούθως: Υπολογίζοντας την τιμή του κ₁ για έναν αριθμό γεγονότων που είναι ίσος με τον μέσο αριθμό των σεισμών που σημειώνονται σε χρονικό διάστημα μερικών μηνών (π.χ. 2-3 μήνες) παρατηρείται ότι η τιμή αυτή εμφανίζει διακυμάνσεις όταν ο αριθμός αυτών των γεγονότων ολισθαίνει σε έναν σεισμικό κατάλογο. Βρέθηκε ότι διακυμάνσεις αυτές εμφανίζουν ένα ελάχιστο μερικούς μήνες πριν από ένα κύριο σεισμικό γεγονός και επιπρόσθετα διαπιστώθηκε ότι το ελάχιστο αυτό εμφανίζεται τη χρονική στιγμή που αρχίζει να καταγράφεται η αντίστοιχη SES activity. Μια τέτοια ταυτόχρονη εμφάνιση δύο προειδοποιητικών φαινομένων σε ανεξάρτητες μετρήσεις δύο διαφορετικών φυσικών μεγεθών (γεωηλεκτρικές μετρήσεις, σεισμικότητα) παρατηρήθηκε στη βιβλιογραφία πρώτη φορά.
Επιπλέον η ανάλυση στον φυσικό χρόνο του σεισμολογικού καταλόγου της Ιαπωνίας, από την 1η Ιανουαρίου 1984 ως την 11η Μαρτίου 2011, ημερομηνία που σημειώθηκε ο γιγαντιαίος σεισμός Tohoku μεγέθους 9 στην Ιαπωνία και προκάλεσε γιγαντιαίο τσουνάμι και το πυρηνικό ατύχημα στη Φουκουσίμα, οδήγησε στο συμπέρασμα ότι τέτοιο ελάχιστο των διακυμάνσεων του κ₁ παρατηρείται μερικούς μήνες πριν από όλους τους σεισμούς μεγέθους 7,6 ή μεγαλύτερο στην περιοχή αυτή. Το βαθύτερο από τα ελάχιστα αυτά παρατηρήθηκε στις 5 Ιανουαρίου 2011, δηλαδή περίπου 2 μήνες πριν από τον σεισμό του Tohoku.
Το 2015 βρέθηκε και το εξής: υποδιαιρώντας την Ιαπωνία σε πολλές μικρές περιοχές, μερικές από τις περιοχές αυτές εμφανίζουν ελάχιστο ταυτόχρονα με το ελάχιστο που παρατηρείται στη μεγάλη περιοχή που καλύπτει όλη την Ιαπωνία και οι περιοχές αυτές συσσωρεύονται σε αποστάσεις μικρότερες από μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα γύρω από το επίκεντρο του επικείμενου σεισμού.