Lettre du Plan Séisme - 2e trimestre 2017, Dossier La Terre n'est pas la seule à trembler

Dossier La Terre n'est pas la seule à tremblerDossier La Terre n’est pas la seule à trembler

Du fait de son activité tectonique, la Terre tremble régulièrement. L’actualité des images de bâtiments régulièrement écroulés autour du globe témoigne de la vivacité de ce phénomène sismique, alors que les cicatrices visibles dans les reliefs qui nous entourent rappellent que cela n’a rien de nouveau. Mais la Terre est-elle la seule à subir ces tremblements ? D’autres corps célestes sont-ils soumis aux mêmes péripéties ? L’observation de leur surface parfois accidentée le laisse penser. C’est d’ailleurs l’un des mystères que les scientifiques tentent de percer par les missions spatiales, un mystère peut-être au cœur de la compréhension du maintien de la vie sur Terre.

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Des tremblements de Terre aux tremblements de Lune

De la mission Apollo 11, on se souvient des premiers pas de l’Homme sur la Lune et du drapeau américain planté sur le sol lunaire. On sait moins que l’un des quatre instruments scientifiques installés par les astronautes était un sismomètre  . Ce premier prototype sera d’ailleurs rejoint par d’autres sismomètres plus élaborés au cours des missions suivantes Apollo 12, 14, 15 et 16. L’exploration spatiale s’intéresse donc de près aux tremblements de terre, en l’occurrence dans ce cas aux tremblements de Lune. Les séismes extraterrestres existent-ils donc ?

Buzz Aldrin installant un sismomètre sur la Lune lors de la mission Apollo 11
Buzz Aldrin installant un sismomètre sur la Lune lors de la mission Apollo 11
Source : NASA

Les sismomètres posés sur notre satellite naturel vont bel et bien mettre en évidence des événements sismiques. Entre 1969 et 1977, ils en enregistreront plus de 10 000, la majorité étant des séismes profonds dont l’origine se trouve entre 800 et 1000 km en dessous de la surface de la Lune. Un grand nombre d’entre eux n’auraient cependant même pas été détectés sur Terre du fait de leur grande profondeur et de leur magnitude   très faible (inférieure à 3,5). Ces séismes profonds seraient liés à la marée générée par l’attraction de la Terre. Les variations de distance entre la Lune et la Terre entraînent des variations de contraintes périodiques qui seraient relâchées à l’occasion de ces séismes profonds. L’étude des enregistrements des ondes sismiques a aussi révélé que ce sont toujours les mêmes failles profondes qui jouent. Plus d’une cinquantaine de failles ont ainsi été répertoriées. « La gravité de la Lune est 6 fois plus faible que celle de la Terre et la pression est bien moins forte à 1000 km de profondeur qu’elle ne le serait sur la Terre. De plus, de récentes études ont démontré que ces failles sont lisses. Cela expliquerait qu’elles soient capables de relâcher les faibles tensions dues à la marée » présente Philippe Lognonné, planétologue à l’IPGP?, Institut du Globe de Paris et Professeur à l’Université Paris Diderot.

À gauche, localisation des sismomètres installés sur la Lune par les missions Apollo 11, 12, 14, 15 et 16, constituant un réseau sismique. La station installée lors de la mission Apollo 11 ne fonctionna que 3 semaines et ne contribua pas au réseau. À droite, coupe schématique de la structure interne de la Lune telle que déduite des mesures géophysiques
À gauche, localisation des sismomètres installés sur la Lune par les missions Apollo 11, 12, 14, 15 et 16, constituant un réseau sismique. La station installée lors de la mission Apollo 11 ne fonctionna que 3 semaines et ne contribua pas au réseau. À droite, coupe schématique de la structure interne de la Lune telle que déduite des mesures géophysiques
Source : Kawamura et al., 2015 ; Wieczorek et al., 2006

La Terre est donc capable de provoquer des séismes lunaires. Et si l’inverse était également vrai ? Les scientifiques se doutaient depuis longtemps de l’influence de la Lune sur les séismes terrestres, mais des chercheurs japonais ont publié en septembre 2016 dans la revue Nature Geosciences une étude qui détaille ce phénomène. Selon cette étude, la Lune ne pourrait déclencher à elle seule un tremblement de terre   mais le phénomène de marée pourrait, au niveau des zones de subduction  , être « la goutte qui fait déborder le vase » et favoriser le glissement simultané de plusieurs petites zones de faille  . Cela aurait pour effet de transformer un petit séisme   en gros séisme  . En résumé, tous les 14 jours et 18h, le risque de survenue de gros séismes sur Terre est plus important dans les zones de subduction   en raison de l’influence conjuguée de la Lune et du Soleil.

La Lune tremble également à chaque impact de météorite puisqu’elle ne bénéficie pas de la protection d’une atmosphère comme la Terre. Les météorites la percutent donc à une vitesse de 20 à 30 km/seconde. Environ 1800 séismes enregistrés s’expliquent ainsi. Enfin, les sismomètres ont enregistré une trentaine de séismes relativement superficiels, déclenchés dans les 200 premiers kilomètres de profondeur. Le plus gros de ces séismes enregistrés à ce jour a atteint une magnitude   de 5,5. Mais contrairement aux signaux sismiques terrestres dont la durée excède rarement plus de 30 secondes pour ce niveau de magnitude  , les signaux lunaires durent plusieurs dizaines de minutes. L’absence d’eau dans les roches lunaires explique cette durée exceptionnellement longue. Sur Terre, l’eau rend les roches compressibles et capables d’amortir les ondes. Sur la Lune, les roches sont au contraire déshydratées et les ondes rebondissent sur les irrégularités de la croûte  . « Il n’y a pas d’activité tectonique sur la Lune au sens où on l’entend sur Terre puisqu’il n’y a pas de plaques et pas de convection au niveau du manteau lunaire. Ces séismes de la lithosphère   seraient induits par le refroidissement de la Lune et donc la contraction des roches sous l’effet de ce refroidissement », explique Philippe Lognonné.

Bientôt à l’écoute des tremblements de Mars

Ces premières observations sur la Lune encouragent les scientifiques à en savoir plus sur la sismicité   des autres planètes, à commencer par notre plus proche voisine. Plusieurs tentatives ont déjà eu lieu pour essayer de poser des sismomètres sur Mars. Le programme spatial Viking de la NASA a posé en 1976 deux sismomètres sur la planète mais l’un n’a jamais fonctionné et l’autre, positionné sur le pont de l’atterrisseur, était trop soumis aux vents martiens. La sonde russe Mars 96 aurait quant à elle dû déployer quatre stations, mais le lancement a échoué. La prochaine mission spatiale vers Mars devrait avoir lieu en 2018. Nommée Insight, cette mission de la NASA devrait déposer sur le sol martien le sismomètre « SEIS » (Seismic Experiment for Interior Structure) développé en France par une équipe technique et scientifique du CNES, de l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP), du campus Spatial de l’Université Paris Diderot et de la société SODERN, et intégrant des contributions du Jet Propulsion Laboratory (USA) et de plusieurs laboratoires Européens.

Un tel déploiement de moyens laisse penser que les chercheurs s’attendent effectivement à enregistrer des ondes sismiques. Pourtant les observations de la surface de Mars ont pour l’instant plutôt conclu à l’absence de tectonique des plaques   et de convection du manteau. « Nous pensons en effet qu’il existe plusieurs sources potentielles de séismes sur Mars. Notre connaissance de Mars nous laisse penser qu’un refroidissement thermoélastique doit encore avoir lieu sur cette planète. On s’attend à ce qu’il provoque environ 50 séismes par an d’une magnitude   supérieure à 3 » avance Philippe Lognonné, responsable scientifique et investigateur principal de SEIS. En effet, alors que l’activité volcanique sur la Lune s’est arrêté depuis 3 milliards d’années, elle était encore bien présente sur Mars il y a 100 millions d’années. Certaines coulées de lave auraient même moins de 10 millions d’années. Mars serait donc loin d’avoir fini de se refroidir puisque la Lune, pourtant beaucoup plus petite, se refroidit encore comme le montrent les séismes lunaires superficiels. Les chercheurs pensent que l’activité sismique de Mars serait entre 10 et 50 fois plus importante que celle de la Lune. Par ailleurs, d’autres ondes sismiques pourraient être provoquées par les impacts de quelques grosses météorites qui ne seraient pas totalement détruites en entrant dans l’atmosphère de Mars. Les scientifiques en espèrent environ cinq par an.

Simulation de ce que pourrait une carte de l'activité sismique de mars pendant une année terrestre
Simulation de ce que pourrait une carte de l’activité sismique de mars pendant une année terrestre
Source : Knapmeyer et al., 2006

Et les autres planètes ?

Sur les tremblements des autres planètes telluriques (i.e. solides, par opposition aux planètes « gazeuses »), on ne sait pas grand-chose. L’activité volcanique contemporaine de Vénus laisse cependant penser que les séismes y sont fréquents. En revanche, l’activité volcanique de Mercure date de plus de 3 milliards d’années. Quant à Pluton, dernière planète (« planète naine » pour être exact) explorée, les photos transmises par la sonde News Horizons montrent bien de nombreuses structures géologiques, mais celles-ci ne permettent pas de conclure quoi que ce soit sur une éventuelle activité sismique.

Les séismes extraterrestres vus par Eric Appéré
Les séismes extraterrestres vus par Eric Appéré
Source : E. Appéré pour planseisme.fr

En ce qui concerne les planètes géantes gazeuses, la notion même de séisme   est forcément bien différente pour ces corps fluides. Pas question cette fois d’y poser des sismomètres. Cependant cela n’a pas découragé les scientifiques qui ont développé des techniques d’observations à distance des sursauts de ces géants. Sur Jupiter, pas de craquement de la croûte  , en revanche, la planète libère de l’énergie et son manteau, composé d’hydrogène, est animé de mouvements de convection qui entraînent des oscillations des gaz visibles depuis la Terre par des télescopes spécifiques.

Pourquoi étudier les séismes extraterrestres ?

La sismologie   est donc très développée dans le domaine de l’exploration spatiale. Pourquoi autant d’efforts alors que, jusqu’à preuve du contraire, personne ne se plaint de ces secousses sismiques extraterrestres ?

Dans le cas de la Lune, la connaissance de sa sismicité   a un intérêt très direct pour les futures missions lunaires et en particulier les projets de bases lunaires. Si l’intensité des ondes sismiques enregistrées sur la Lune est moins forte que celles fréquemment constatées sur Terre, la durée exceptionnelle de plusieurs minutes de ces ondulations est susceptible d’endommager les équipements qui pourraient être construits à la surface de notre satellite, orientant ainsi le choix de matériaux présentant une certaine flexibilité. D’autant que le risque encouru par l’homme en cas d’endommagement de son habitat par un séisme   serait autrement plus important sur la Lune que sur Terre : la moindre apparition de fissure y est en effet proscrite, sous peine d’encourir un risque vital immédiat. Dans l’hypothèse d’un nouveau programme de base habitée sur la Lune, la sismologie   pourrait – comme sur Terre – permettre de préciser la localisation des zones propices à l’implantation d’une base lunaire, de telle sorte à ce qu’elle soit le moins exposée possible à l’aléa sismique  .

Au-delà de cette application « pratique », la mesure des séismes secouant les différents corps célestes offre une mine d’informations sur la structure interne de ces astres. C’est d’ailleurs en grande partie la sismologie   qui a permis de déduire la structure interne de la Terre, grâce à l’enregistrement du moindre séisme   par des réseaux sismologiques internationaux. L’analyse des vitesses de propagation des ondes sismiques donne ainsi aux scientifiques de précieuses informations sur la température et la composition des matériaux traversés. De la même façon, les données enregistrées par les sismomètres lunaires ont permis de savoir qu’il existe des discontinuités au sein de la structure interne de la Lune et d’affiner les modèles. Quarante ans après la fin des mesures sismologiques sur la Lune, les données enregistrées continuent d’être analysées. « Il y a encore 20 ans, on pensait que la Lune étant petite, elle s’était rapidement refroidie et que son noyau n’était sans doute plus liquide. En 2000, des études ont montré que la rotation de la Lune était freinée, sans doute par la présence d’un liquide en son cœur. Puis en 2010, la ré-analyse des données sismiques a confirmé que les ondes de cisaillement (onde S) sont réfléchies par le noyau externe qui serait donc effectivement liquide » explique Philippe Lognonné.

Illustration du lien entre la propagation des ondes sismiques et la structure interne de la Terre
Illustration du lien entre la propagation des ondes sismiques et la structure interne de la Terre
Source : d’après Pearson Prentice Hall, Inc.

Au sujet de Mars, les observations réalisées par les orbiteurs des précédentes missions spatiales ont permis d’établir des cartes de gravimétrie et d’élaborer les premiers modèles de sa structure interne. « On pense que le noyau est liquide et occupe environ la moitié du rayon de la planète. En revanche, on ne connaît pas précisément son rayon, ni l’épaisseur de la croûte   ni la structure du manteau. Les modèles suggèrent qu’il n’y a pas de convection du manteau mais nous n’avons aucune certitude. Nous espérons donc que la mesure des ondes sismiques mesuré par SEIS lorsqu’il aura été déposé sur Mars par la mission Insight permettra d’affiner le modèle » explique Philippe Lognonné.

Connaître la structure interne d’une planète, c’est mieux comprendre son moteur interne et sa chronologie. « La géologie et la sismologie   sont des clefs essentielles pour comprendre ce qui crée les conditions favorables au maintien de l’activité géologique d’une planète, et ainsi de cet oasis qui permet à la vie de s’y développer. En connaissant la structure interne de la Terre puis de Mars, on espère mieux cerner si l’histoire de la Terre est une règle générale ou une exception » conclut Philippe Lognonné.

Sur Terre, les séismes sont malheureusement souvent destructeurs, mais ils sont aussi le signe de l’activité de notre planète, peut-être au cœur du mystère du maintien de la vie. La sismologie   extraterrestre n’a pas fini de livrer ses secrets.

Pour aller plus loin

planseisme picto 17 pointi - Article de Science et Vie sur l’influence de la Lune sur les séismes terrestres
- Tous les détails sur la mission Insight sur le site internet du CNES
- Dossier du CEA sur la sismologie   des étoiles