Les supercycles en bordure de plaque
Lorsque des plaques terrestres plongent ou entrent en collision entre elles, la terre tremble, comme récemment au Népal. Des chercheurs de l'ETH Zurich fournissent de nouvelles explications sur l'origine des superséismes le long des zones de subduction, à l'exemple de la c?te japonaise.
Le 11 mars 2011, au large des c?tes japonaises, la tension de deux plaques terrestres calées s'est déchargée sous le fond de la mer, provoquant un gigantesque tsunami. Conséquence du séisme de Tohoku : plus de 15 000 morts, près de 400 000 b?timents entièrement ou fortement détruits et la centrale nucléaire de Fukushima gravement endommagée. Ce "super séisme" a peut-être été le plus important d'une succession de plusieurs tremblements de terre et marque la fin de ce que l'on appelle un super cycle, une succession de plusieurs tremblements de terre.
De tels supercycles sur les zones de subduction sont étudiés à l'ETH Zurich par une équipe de recherche dirigée par Taras Gerya, professeur de géophysique, et Ylona van Dinther.
Les géologues appellent zone de subduction la limite à laquelle une plaque tectonique est poussée sous une autre le long d'un méga-chevauchement et s'enfonce dans le manteau terrestre. De telles zones existent notamment au large de l'Amérique du Sud, au nord-ouest des Etats-Unis, au large de Sumatra et justement au large du Japon.
Le super séisme final met fin au cycle
Toutefois, les séismes ne peuvent pas se produire partout le long du méga-chevauchement, mais uniquement dans ses zones sismogènes. La raison : dans ces zones, le frottement bloque pendant longtemps le mouvement relatif des plaques. "Des tensions s'accumulent ainsi, qu'un tremblement de terre réduit soudainement", explique Robert Herrend?rfer, doctorant à l'ETH. Mais ensuite, le mouvement continu des plaques provoque à nouveau des tensions qui se déchargent à nouveau en séismes - un cycle sismique se forme. Dans un supercycle, les premiers tremblements de terre ne rompent d'abord que des parties d'une section de la zone de subduction, puis toute la section lors du "superséisme" final.
Jusqu'à présent, plusieurs explications ont été avancées pour expliquer le phénomène de "rupture progressive". Mais elles partent toutes du principe que le long du méga-chevauchement, les propriétés de frottement sont différentes dans certaines sections. "Cette hétérogénéité conduit à une sorte de patchwork", explique Herrend?rfer. "Dans un premier temps, les tremblements de terre rompent des petits patchs individuels, puis un 'super-séisme' rompt plusieurs patchs en même temps".
La largeur de la zone sismique est déterminante
Dans un nouveau travail qui vient d'être publié dans "Nature Geoscience", le groupe de recherche de l'ETH dirigé par Herrend?rfer propose toutefois une autre approche explicative qui se passe de ce patchwork. Pour simplifier, la thèse est la suivante : plus une zone sismogénique est large, plus la probabilité d'apparition de supercycles est grande.
Pour comprendre ce phénomène, il faut d'abord se rappeler les forces physiques qui agissent dans les zones de subduction. Alors qu'une plaque est poussée sous l'autre selon un certain angle d'inclinaison, les plaques sont partiellement couplées entre elles le long de la méga-superposition, de sorte que la plaque inférieure entra?ne la plaque supérieure avec elle vers les profondeurs.
Les chercheurs de l'ETH ont simulé ce processus sur ordinateur. La plaque supérieure est représentée par un coin, la plaque inférieure par une plaque rigide. Comme les plaques ne sont reliées entre elles qu'à l'intérieur de la zone sismogène, le coin est déformé par la contre-pression et des tensions physiques s'accumulent. Dans les zones non sismiques adjacentes, les plaques peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres.
C'est sur les bords de la zone sismogène que la tension s'accumule le plus rapidement. Si la tension y devient plus forte que la résistance au frottement de la plaque, le coin se découple et commence à se déplacer par rapport à la plaque plongeante. La vitesse relative augmente et la résistance au frottement diminue. La cale prend alors encore plus de vitesse. Il se produit donc une succession rapide d'interactions - un tremblement de terre. Le séisme se propage jusqu'au point où le rapport entre la tension et la résistance au frottement évolue en faveur de la résistance au frottement. C'est là que la rupture prend fin et que les deux plaques se couplent à nouveau l'une à l'autre.
La zone sismogène ne se rompt que partiellement
Robert Herrend?rfer a maintenant étudié, dans le cadre de sa thèse, l'impact de la largeur des zones sismogènes sur ce processus. Les modèles montrent qu'au début d'un supercycle, la différence entre la contrainte et la résistance au frottement est très importante, et ce d'autant plus que la zone sismogène est large. "Cela a pour conséquence que les premiers séismes dans cette région ne rompent que partiellement la zone sismogénique", explique Herrend?rfer. Dans les zones plus étroites, un seul séisme peut déjà rompre toute la zone. Dans les zones plus larges, à partir de 120 km environ, la tension se libère en plusieurs tremblements de terre et finalement en un super séisme.
Cette explication est étayée par des données empiriques : "Les supercycles n'ont été observés jusqu'à présent que dans les zones de subduction dont la zone sismogène est plus large que la moyenne d'environ 110 km", explique Herrend?rfer. Sur la base de leurs recherches, les chercheurs de l'ETH ont défini, outre les régions connues jusqu'à présent, d'autres régions qui pourraient être concernées par des supercycles - à savoir les zones de subduction au large du Kamtchatka, des Antilles, de l'Alaska et de Java.
Le modèle ne sert pas à la prédiction
Le chercheur met toutefois en garde contre des conclusions prématurées : "Nos modèles théoriques ne permettent qu'une comparaison limitée avec la nature et ne sont pas adaptés à la prévision des séismes", souligne Herrend?rfer. "Avec notre travail, nous voulons élargir la compréhension des processus physiques au cours d'un cycle sismique. Et cela pourrait être utilisé à l'avenir pour l'évaluation des dangers à long terme des tremblements de terre". La méthode peut également être appliquée aux zones de collision continentales, comme l'Himalaya, où s'est produit récemment le tremblement de terre dévastateur au Népal.
Comment les plaques s'affrontent
Les zones de subduction sont des frontières de plaques convergentes, c'est-à-dire des zones où les plaques se rapprochent les unes des autres. En font partie les zones de collision continentales, comme par exemple les Alpes et l'Himalaya, où la plaque indienne entre en collision avec la plaque asiatique. Il existe également des frontières de plaques divergentes, où les plaques s'éloignent les unes des autres, par exemple en Islande. Dans le cas des frontières de plaques conservatrices, les plaques sont poussées horizontalement les unes contre les autres le long d'une faille verticale. La faille de San Andreas en Californie et la faille nord-anatolienne en sont des exemples.
Référence bibliographique
Herrend?rfer R, van Dinther Y, Gerya T, Dalguer LA. Earthquake supercycle in subduction zones controlled by the width of the seismogenic zone. Nature Geoscience, publication en ligne le 4 mai 2015. DOI page externe10.1038/ngeo2427