Ce séisme survenu à 751 kilomètres sous la surface du Japon secoue les géologues qui croyaient qu’à une telle profondeur la roche était trop ductile pour rompre et se mettre à trembler.

japon archipel d’Ogasawara

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Le foyer du tremblement de terre, qui faisait partie d’une série de répliques profondes, se trouvait à des centaines de kilomètres sous l’archipel d’Ogasawara, qu’on aperçoit en partie ici.

Un soir de printemps, il y a six ans, à des centaines de kilomètres sous la surface, notre planète s’est mise à gronder sous l’effet d’une série de tremblements de terre d’un genre particulier. La plupart des séismes trouvent leur origine à une dizaine de kilomètres sous la surface. Mais ces tremblements ont remué la terre à des profondeurs où les températures et la pression sont si élevées que la roche semble plier plutôt que rompre.

Le premier soubresaut, dont l’épicentre se trouvait au large de l’archipel reculé d’Ogasawara, était de magnitude 7,9 sur l’échelle de Richter et a été enregistré à 680 kilomètres sous la surface. Cela en fait un des séismes les plus profonds de sa catégorie. Mais une autre curiosité a émergé dans la cascade de répliques qui ont suivi : un minuscule frisson qui pourrait bien constituer le tremblement de terre le plus profond jamais détecté.

Cette secousse ultra-profonde, décrite récemment dans la revue Geophysical Research Letters, se serait produite à 751 kilomètres de profondeur, dans le manteau inférieur, couche que les chercheurs pensaient peu propice, voire impropre, à l’émission d’ondes sismiques. Même si tout laissait à penser qu’il y avait déjà eu des tremblements dans le manteau inférieur, les chercheurs avaient du mal à les localiser précisément à l’intérieur de cette couche.

« C’est de loin la meilleure preuve d’un séisme dans le manteau inférieur », assure Douglas Wiens, sismologue de l’Université Washington de Saint-Louis et spécialiste des secousses profondes qui n’a pas pris part à ces recherches.

Il faudra davantage de recherches pour confirmer la réalité de ce séisme ainsi que sa localisation dans le manteau inférieur. La frontière de cette couche se trouve en moyenne à 660 kilomètres sous la surface, mais cela varie selon l’endroit où on se trouve sur le globe. Sous le Japon, le manteau inférieur commencerait à environ 700 kilomètres. L’équipe a détecté plusieurs répliques à cette profondeur mais l’une d’elles se situait bien plus bas.

Bien que les séismes profonds n’entraînent pas le même type de dégâts que leurs cousins peu profonds, l’étude de ces événements peut permettre à la science de déchiffrer la façon énigmatique qu’a la Terre de glisser sous nos pieds. Les frémissements sismiques sont un des seuls aperçus que nous avons du fonctionnement interne de notre planète, et chaque événement inopiné comme celui-ci fait évoluer la façon dont nous envisageons nos sous-sols.

D’après Heidi Houston, géophysicienne et spécialiste des séismes profonds de l’Université de Californie du Sud, ces tremblements du manteau intérieur sont rares mais possibles sous certaines conditions. « On ne peut pas les exclure, affirme-t-elle. C’est une des choses qui rend leur étude intéressante et captivante. »

QUAND LES PROFONDEURS GRONDENT

Ce tremblement de magnitude 7,9 était déjà une bizarrerie en soi. Sa grande profondeur et sa vaste étendue ont secoué la Terre à plusieurs endroits. Des habitants des 47 préfectures du Japon ont signalé en avoir ressenti les secousses, et c’est une première depuis 130 ans qu’on les enregistre.

D’ordinaire, la vaste majorité des séismes sont peu profonds. Des 56 832 tremblements de terre d’ampleur « modérée » à « importante » enregistrés entre 1976 et 2020, seuls 18 % se sont produits à plus de 70 kilomètres de profondeur. Et seuls 4 % se sont déclenchés à plus de 300 kilomètres sous la surface du globe, repère par rapport auquel on situe les « séismes profonds ».

Cela fait près d’un siècle, depuis que l’astronome et sismologue anglais Herbert Hall Turner a détecté le premier séisme profond en 1922, que la science se demande comment il est possible que de tels phénomènes aient lieu.

Près de la surface, la lente lutte de la tectonique des plaques fait s’accumuler la tension jusqu’à ce que la terre se fracture, glisse et émette des ondes sismiques. Cependant, la pression élevée qui règne dans les barathres de la Terre empêche tout sursaut de ce type. « Tout est juste très fortement compressé dans toutes les directions », commente Heidi Houston.

Et d’après Magali Billen, géodynamicienne de l’Université de Californie à Davis n’ayant pas pris part aux recherches, si on ajoute la température torride qui règne à cette profondeur, les roches se comportent plus comme de la mélasse que comme des solides. Elle en fait la démonstration lors d’un entretien vidéo au moyen d’un morceau rose viscoélastique de Silly Putty, fameux polymère au comportement non newtonien. En le distendant doucement, il s’étire et coule en brins filandreux. Mais lorsqu’on le déforme brusquement, « alors là il se casse », explique-t-elle. Elle tire rapidement sur la masse rose et, dans un bruit sec mais imperceptible, celle-ci se casse en deux.

« Qu’est-ce qui est à l’origine de ce phénomène ? », demande-t-elle. Pour répondre à cette question, le sismologue de l’Université de l’Arizona Eric Kiser et ses collègues se sont intéressés à un large séisme survenu sous les îles Ogasawara qui avait déclenché les sismographes du monde entier, et notamment le vaste réseau japonais Hi-Net.

L’équipe a passé en revue la mine de données fournie par Hi-Net en quête de tressaillements qui auraient suivi l’important séisme. Nul doute qu’un événement aussi phénoménal libérerait une quantité d’énergie qui ricocherait partout sous la surface et occulterait les petites répliques. Donc, pour amplifier les petits signaux parmi tout ce bruit, les chercheurs se sont servis d’une méthode appelée « reconstruction tomographique » qui permet de compiler les données de plusieurs sismographes. Sans surprise, quatre répliques ont grondé entre 695 et 715 kilomètres sous la surface. Une cinquième sortait du lot : une secousse survenue à 751 kilomètres sous la surface.

MYSTÉRIEUSES ORIGINES

Tous les foyers de séisme profonds se trouvent près de zones de subduction, où la rencontre de plaques tectoniques entraîne le glissement de l’une sous l’autre. Les secousses profondes trouvent vraisemblablement leur origine dans les changements subis par les plaques à mesure qu’elles s’enfouissent à des profondeurs extrêmes.

Mais les chercheurs ne savent toujours pas vraiment comment la tension peut s’accumuler au point de faire trembler les couches profondes de la Terre. Une hypothèse en vogue réemploie le phénomène même à l’origine de la séparation du manteau en couches.

Le manteau supérieur abonde en olivine, un minéral vert criard dont la structure devient instable à mesure qu’il s’enfonce. À partir de 410 kilomètres de profondeur, les atomes changent de disposition et se transforment en wadsleyite ou en ringwoodite, des minéraux de plus en plus fréquents à mesure qu’on descend. La transformation de l’olivine à l’intérieur de la plaque créerait des points faibles dans la roche qui la feraient se déformer rapidement et engendreraient un séisme profond.

Mais à environ 660 kilomètres, le système change de manière abrupte. La danse des ondes sismiques autour de cette limite indique que les roches qui se trouvent en-dessous sont bien plus denses que celles du dessus : c’est là que commence le manteau inférieur.

Dans cette couche domine la bridgmanite, un minéral à la couleur de terre, et les transformations d’olivine à l’origine des séismes dans la couche supérieure cessent. Donc si un séisme a bien eu lieu dans cette couche du globe, quelque chose d’autre doit en être à l’origine.

Il est possible que ce soit dû à la transformation d’un minéral différent contenu dans la plaque plongeante comme l’enstatite, un minéral aux tons sépia. Mais Marc Kiser et ses collègues ont aussi identifié un autre déclencheur potentiel dans les mouvements de la plaque.

Les répliques minuscules qui ont suivi le séisme de magnitude 7,9 semblent s’être produites près de la base d’un morceau brisé de plancher océanique subducté ayant percé le haut du manteau inférieur. Selon l’équipe, il est possible que le gros séisme ait poussé une partie de cette plaque déformée à se déposer doucement ; « très, très doucement », précise Eric Kiser. Ce petit décalage a pu suffire à concentrer la tension à la base de la plaque quand elle s’enfonçait dans les roches plus denses du manteau inférieur.

Cette augmentation de la tension a par exemple pu entraîner un séisme profond en déformant légèrement les roches, ce qui aurait généré de la chaleur et les aurait affaiblies. Cette transformation a pu induire une boucle de rétroaction déformant la roche plus vite à mesure qu’elle se réchauffait et s’affaiblissait, jusqu’à la rupture brutale qui a causé le séisme. D’après Magali Billen, il est même possible que l’accumulation de chaleur ait généré de la fonte, qui a alors fait office de lubrifiant pour le glissement des plaques.

Grâce à des analyses et des modélisations plus approfondies de la structure des plaques plongeantes et de la localisation des répliques de l’événement de magnitude 7,9, nous pourrions comprendre le mécanisme de ce séisme mais aussi celui d’autres tremblements de terre. « Peut-être qu’on ne peut pas les expliquer par un seul et unique mécanisme », commente Haijiang Zhang, sismologue de l’Université de sciences et technologie de Chine (USTC) n’ayant pas pris part à l’étude.

UNE QUESTION D’ÉNERGIE

D’ailleurs, cela « n’a pas surpris » Haijiang Zhang que le foyer d’une réplique puisse se trouver dans le manteau inférieur. Lors de précédentes recherches, lui et ses collègues avaient déjà repéré des signes que le séisme de magnitude 7,9, celui dont le foyer se trouvait à 680 kilomètres sous la surface, s’était peut-être lui aussi produit dans cette couche.

Mais un séisme de ce type bouleverserait les conceptions établies depuis longtemps sur le fonctionnement interne de notre planète, et tout le monde n’est pas convaincu des résultats de cette étude. Dans certains cas, les méthodes utilisées pour amplifier les signaux d’un tremblement de terre comme celui-ci peuvent « produire de fausses alertes », pour reprendre les mots de Yingcai Zheng, sismologue de l’Université de Houston. « Le diable se cache dans les détails. »

Dans l’étude, l’équipe fait remarquer qu’une fausse alarme peut par exemple se produire si les ondes d’un autre séisme rebondissent sur les structures internes de la Terre et sont captées par le réseau de sismographes. Mais John Vidale, sismologue de l’Université de Californie du Sud, soutient que les signaux sismiques semblent provenir d’un vrai tremblement de terre, au moins aussi profond que le suggèrent les auteurs de l’étude. « Ça me semble évident », affirme-t-il.

La recherche d’un autre type d’ondes sismiques, les ondes S (ou ondes transversales), pourrait corroborer la réalité de l’événement. La présente étude identifie les séismes grâce aux ondes P (ou ondes longitudinales), qui se déplacent rapidement à travers le sol à la manière d’un ressort magique tendu qu’on pousse et qu’on tire. Si les ondes S et P arrivent au moment escompté par rapport à la localisation présumée du foyer de ce séisme ultra-profond, alors « on a tapé dans le mille », selon John Vidale.

Il fait cependant remarquer que même si on parvient à confirmer la profondeur, le seuil du manteau inférieur à cet endroit fait toujours débat. À en croire l’imagerie sismique, à mesure que la plaque plonge dans les roches denses du manteau inférieur, elle commence à s’assouplir et à se replier sur elle-même. « Comme une nouille cuite », illustre Heidi Houston. Selon elle, l’accumulation de roches froides du plancher océanique pourrait refroidir les roches environnantes, repousser le seuil du manteau inférieur vers le bas et rendre le système bien plus complexe à interpréter.

Il n’est jamais facile d’étudier l’intérieur de la Terre. « Nous ne pouvons pas y aller, rappelle Heidi Houston. Nous ne voyons que ce que les ondes sismiques nous montrent. » Mais les techniques de localisation et d’étude des tremblements de terre continuent à s’améliorer et les scientifiques auront d’autres occasions de lever le voile sur les grondements mystérieux des profondeurs de la Terre. Il est certain que cet effort révèlera des surprises sur notre monde qui tremble.

« Les données, conclut Magali Billen, nous poussent constamment à envisager la Terre différemment. »



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