Que se passe-t-il sous la surface de la Terre lorsque les tremblements de terre les plus puissants se produisent

Le 27 février 2010, à 03h34 heure locale, le Chili a été frappé par l’un des tremblements de terre les plus puissants du siècle. Le choc a déclenché un tsunami qui a dévasté les communautés côtières. Les événements combinés ont tué plus de 500 personnes. La secousse était si puissante que, selon une estimation de la NASA, elle a déplacé l’axe de rotation de la Terre de 8 cm.

Comme presque tous les tremblements de terre les plus puissants, il s’agissait d’un tremblement de terre méga. Celles-ci se produisent dans des zones de subduction, des endroits où une plaque tectonique est forcée sous une autre. Si les assiettes glissent soudainement – à grands coups, vous obtenez un tremblement de terre massif. Le séisme de 2010 au Chili était d’une magnitude de 8,8: assez fort pour déplacer les bâtiments de leurs fondations.

Nous comprenons mal les zones de subduction, c’est pourquoi la géophysicienne Anne Socquet, basée à l’Université Grenoble Alpes en France, avait prévu de se rendre au Chili. Elle souhaitait installer des instruments de surveillance sismique pour collecter des données. Par coïncidence, elle est arrivée juste une semaine après le séisme. «C’était terrifiant», dit-elle. “L’appartement que nous avions loué avait des fissures dans les murs dans lesquelles vous pouviez mettre votre poing à l’intérieur.”

La plupart des personnes qui étudient les tremblements de terre de méga-poussée se concentrent sur les chocs qui précèdent immédiatement le séisme principal, explique le professeur Socquet. Mais une caractéristique inhabituelle des tremblements de terre de mégathrust est qu’ils sont souvent suivis par une série d’autres séismes de mégathrust très puissants plusieurs années plus tard et avec des épicentres à des centaines de kilomètres. Le tremblement de terre de 2010 au Chili, par exemple, a été suivi par d’autres événements en 2014, 2015 et 2016 centrés sur des zones situées en amont et en aval de la côte chilienne. Le professeur Socquet a voulu examiner ces séquences de tremblements de terre méga-sismiques et étudier les liens potentiels entre ces grands tremblements de terre. Cela nécessite un examen attentif des données sismologiques et géodésiques à une plus grande échelle que ce qui a été fait auparavant.

Megathrust

Nous savons que les tremblements de terre de mégathrust sont le résultat de la subduction d’une plaque tectonique en dessous d’une autre. Mais au-delà de cela, nous avons très peu de compréhension de la dynamique de la subduction et de la façon dont elle pourrait déclencher une instabilité qui conduirait à un autre événement de méga-crise quelques années plus tard. Il existe des preuves que cela pourrait être lié à la libération et à la migration de fluides à grande profondeur. Le projet DEEP-trigger du professeur Socquet vise à combler cette lacune. «C’est une sorte de territoire vierge en termes d’observations», a-t-elle déclaré.

La première étape du projet vieux de six mois était censée ajouter au réseau d’environ 250 instruments GPS auxquels elle a contribué au Chili depuis 2007 et construire un nouveau réseau d’instruments au Pérou. Actuellement incapable de se rendre en Amérique du Sud en raison de la pandémie de COVID-19, elle travaille avec des contacts locaux pour commencer l’installation. Elle travaille également sur des outils de calcul pour commencer à analyser les données héritées de la région.

“L’essentiel sera d’avoir des observations systématiques du lien entre le glissement lent et les fractures sismiques à de grandes échelles de temps et d’espace. Ce sera une très grande contribution à la science.”

À l’Université de Pavie en Italie, le minéralogiste, le professeur Matteo Alvaro, s’intéresse également aux méga-séismes, bien que beaucoup plus anciens.

Il s’avère que nous pouvons avoir une fenêtre unique sur les zones de subduction comme elles l’étaient il y a des millions d’années. Il y a certains endroits, rares et espacés, où les roches qui ont traversé des zones de subduction sont forcées à remonter à la surface. En analysant ces roches, nous pouvons déduire les profondeurs et les pressions auxquelles la subduction s’est produite et dresser un tableau du fonctionnement de la subduction – et peut-être de la manière dont les tremblements de terre de mégathrust sont déclenchés.

Cristal

Cela fonctionne généralement comme ça. Les géologues trouvent une roche faite d’un minéral avec ce qu’on appelle un cristal d’inclusion à l’intérieur. Cette inclusion a été piégée à l’intérieur du minéral alors que deux plaques de subduction se pressaient l’une l’autre à une grande profondeur, peut-être 100 km ou plus sous la surface. Il aura une structure cristalline particulière – un arrangement spatial spécifique et répétitif des atomes – qui dépend de la pression qu’il subit lors de sa formation. Le cristal peut révéler la pression à laquelle l’inclusion a été exposée et par conséquent la profondeur à laquelle elle a été formée.

Le problème est qu’il s’agit d’une simplification excessive. Cela ne tient que si l’inclusion est en forme de cube – et ce n’est presque jamais le cas. Toute cette idée de pression est égale à la profondeur – nous savons tous que cela pourrait être incorrect, dit le professeur Alvaro. “La question naturelle est, d’accord, mais à quel point avons-nous tort?” C’est ce qu’il a décidé de découvrir dans son projet TRUE DEPTHS.

Le plan était simple en principe. Le professeur Alvaro voulait mesurer la déformation subie par le cristal alors qu’il était encore piégé à l’intérieur du minéral. S’il pouvait comprendre le minuscule déplacement des atomes de leurs positions habituelles dans une structure cristalline typique et non pressurisée, cela fournirait une meilleure mesure de la contrainte appliquée par la roche environnante lors de la formation du cristal et donc une mesure plus précise de la profondeur. à laquelle il a été formé. Pour étudier la structure atomique, il utilise une combinaison de cristallographie aux rayons X et d’une technique appelée spectroscopie Raman.

Le professeur Alvaro vient de démontrer la première application réussie de ses techniques. Il a regardé un échantillon d’un rocher d’un endroit connu sous le nom de tuyau Mir en Sibérie. Il s’agit d’un puits de roche kimberlitique fondue qui s’est élevée très rapidement à des profondeurs énormes. (Nous obtenons la plupart de nos diamants de tuyaux de kimberlite comme celui-ci, et en effet, Mir a été largement exploité.) Le professeur Alvaro a examiné des roches de grenat avec de minuscules inclusions de noticias à l’intérieur qui ont été élevées. «La kimberlite est l’ascenseur qui la ramène à la surface», a-t-il déclaré.

Déclencheur

En mesurant la déformation des inclusions, il a pu confirmer qu’elle s’était formée à une pression de 1,5 gigaPascals (environ 15000 fois celle trouvée à la surface de la Terre) et à une température de 850^OC. Ce n’est pas tout à fait surprenant, mais c’est la première preuve que la technique du professeur Alvaro fonctionne vraiment. Il cherche maintenant à faire plus de mesures et à construire une bibliothèque d’exemples.

Il se demande également, de manière plus spéculative, s’il est possible que la formation et la déformation des inclusions agissent comme le tout premier déclencheur de tremblements de terre méga-poudreuse. L’idée serait que ces minuscules changements provoquent des fissures dans des roches plus grosses qui finissent par faire glisser une faille hors de sa place. Le professeur Alvaro envisage d’explorer cette question plus avant.

“Personne ne sait quel est le déclencheur initial, ce qui déclenche le premier dérapage”, a déclaré le professeur Alvaro. «Nous avons commencé à penser – et c’est peut-être une idée complètement folle – que ce sont peut-être ces inclusions. Un groupe d’entre elles, peut-être soumis à un changement de phase instantané et donc à un changement de volume. Peut-être que cela pourrait être le tout premier déclencheur.