Lettre du Plan Séisme - 2e trimestre 2016, Dossier : Séismes lents

Dossier : Séismes lentsDossier : Séismes lents

Le mécanisme donnant naissance aux séismes est conceptuellement compris depuis une centaine d’années et s’explique par le « cycle sismique » : alternance, le long de failles, de périodes d’accumulation lente de contraintes et de glissement rapide relâchant brusquement l’énergie ainsi accumulée. Découvert dans les années 2000, le phénomène de « séisme   lent » laisse entrevoir une réalité un peu plus compliquée…

Localisation des quelques-unes des zones de subduction où des séismes lents ont été identifiés (code couleur représentant l'âge de la croûte océanique en millions d'années) et illustration de l'absence de séismes en profondeur le long de la subduction du Sud-Mexique
Localisation des quelques-unes des zones de subduction où des séismes lents ont été identifiés (code couleur représentant l’âge de la croûte océanique en millions d’années) et illustration de l’absence de séismes en profondeur le long de la subduction du Sud-Mexique
Source : figures modifiées d’après Beroza et Ide (2011) et CALTECH-TO

À propos des « séismes lents », les données s’accumulent sans pouvoir encore prendre beaucoup de recul sur le phénomène, était-il conclu à une conférence internationale sur le sujet, en février dernier à Ixtapa, au Mexique. Pour visionner une carte mondiale, il faudra donc patienter…

Tout juste commence-t-on à comprendre ce qu’est un séisme   lent. Plusieurs caractéristiques le distinguent d’un séisme   traditionnel (ou tremblement de terre  ). Tout d’abord, alors que la durée du glissement entre les deux failles est de l’ordre de quelques secondes à quelques minutes pour les séismes, celui-ci peut intervenir sur plusieurs heures, voire plusieurs jours ou mois pour les séismes lents. La durée du chargement des contraintes, avant leur libération, est en revanche réduite dans le cas des séismes lents : de quelques mois à quelques années seulement, contre des dizaines d’années, voire des siècles pour les gros séismes.

Bien qu’à dimension de faille   équivalente, les séismes lents permettent un moindre relâchement de contraintes que les séismes classiques, l’énergie ainsi libérée peut parfois être très importante : en Nouvelle-Zélande, de fréquents séismes lents, d’une durée de près d’une année et se répétant à intervalle régulier tous les cinq ans environ, libèrent chacun autant d’énergie que ne le ferait un séisme   de magnitude   7 ! À la différence que l’« on parle ici de la quantité de glissement qui a lieu et non de la puissance du séisme   », explique Erwan Pathier, chercheur à l’Institut des sciences de la Terre (ISTerre?), qui préfère recourir à la notion de « moment sismique ».

Cycle sismique
Cycle sismique
Source : Classeur pédagogique sur le risque sismique en PACA?, Région PACA/BRGM?

Conséquence appréciable de leurs glissements lents et indépendamment de leur ampleur, les séismes lents n’émettent pas d’ondes sismiques et sont par conséquent imperceptibles et n’occasionnent aucun dégât ! Ainsi, les fréquents séismes lents néo-zélandais relâchent-ils sans que personne ne s’en aperçoive plus de 10 fois plus d’énergie que le séisme   de Lambesc qui fit une cinquantaine de victimes en Provence en 1909.

En somme, beaucoup de différences qui conduisent de nombreux chercheurs à juger le terme de « séisme   » inapproprié pour qualifier ces événements et à lui préférer le terme de « Slow Slip Event » (SSE) pour « _épisode de glissement lent ».

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

Des séismes « silencieux » longtemps restés invisibles

N’émettant pas d’ondes sismiques, les séismes lents sont donc indétectables par les sismomètres, ce qui leur a un temps valu le qualificatif de « séismes silencieux ». Ils sont par conséquent longtemps restés inaperçus et n’ont que récemment été découverts, grâce notamment à l’installation de réseaux terrestres de GPS permettant la prise de mesures en continu. Au Mexique, par exemple, les données géodésiques quotidiennes ont permis de détecter des mouvements nord-sud qui changeaient de sens approximativement tous les trois-quatre ans. Des phénomènes complexes, jusqu’alors indécelables par des relevés ponctuels bien plus espacés, venaient d’être mis au jour : les glissements lents le long de failles.

Les quinze dernières années de recherche ont enrichi les savoirs sur les séismes lents et il semble exister différents types de configuration où peuvent se produire ces phénomènes. Les premières observations de glissements transitoires lents d’une durée de quelques jours, sans lien apparent avec des séismes classiques, ont été réalisées au niveau de la faille   californienne de San Andreas, l’une des plus surveillées au monde, grâce à des capteurs de contraintes installés dans des puits de forage.

Cependant, très peu de séismes lents ont été documentés « à Terre » au niveau de failles crustales, peut-être en raison de leur taille, trop petite pour les observer. C’est au contraire au niveau de zones de subduction  , là ou une plaque océanique – plus dense – plonge sous une plaque continentale, qu’a été observée la majeure partie des séismes lents recensés à ce jour : au Canada au niveau de la chaîne des Cascades, au Japon, au Mexique, au Costa-Rica, en Nouvelle-Zélande, en Équateur, etc.

Rétrospectivement, maintenant que le phénomène de séisme   lent est clairement identifié, d’autres manifestations de leur existence s’accumulent en plus de celles relevées avec les seules mesures GPS de déplacement. Ainsi, les scientifiques interprètent-ils désormais l’apparente « invisibilité » de la zone de subduction   observée au sud du Mexique comme l’existence de séismes lents. En effet, c’est traditionnellement la localisation de l’épicentre des séismes en profondeur qui a permis de se représenter la géométrie des zones de subduction  , les séismes s’alignant généralement le long de plans inclinés correspondant à la plaque plongeante « subductée ». Alors que ces séismes permettent le plus souvent de « dessiner » la subduction   jusqu’à des profondeurs de plusieurs centaines de kilomètres, dans le cas du sud du Mexique, point (ou très peu) de séismes sont enregistrés au-delà de 150 km de profondeur : c’est que la plaque n’y « casse » plus sous la forme de séismes, mais y « glisse » assismiquement…

Station GPS
Station GPS
Source : JM Nocquet

En outre, l’absence d’émission d’ondes sismiques ne s’avère pas tout à fait vraie. Certains séismes lents peuvent être accompagnés d’une micro-sismicité   (très petits séismes détectables par les sismomètres). Ils sont aussi souvent accompagnés de « tremors », sorte de petits crépitements qui résultent de cassures de très faible amplitude générant de légères ondes. À la différence de la micro-sismicité  , les tremors ne peuvent cependant pas être détectés directement sur les enregistrements sismiques et ce n’est que la comparaison fine entre différents enregistrements simultanés effectués au niveau de plusieurs stations sismologiques qui permet de les démasquer. Souvent localisés aux mêmes endroits que les séismes lents et plus faciles à détecter, les tremors pourraient donc servir de marqueur pour repérer les séismes lents…

En profondeur, les séismes lents se situent généralement dans une partie de la faille   en transition - entre la partie bloquée, qui générera des tremblements de terre, et la partie en glissement stable, sous 100 km, où la plaque lithosphérique plonge dans le manteau à une vitesse régulière (Cascades, Nankai au Japon, Costa Rica). Dans certaines régions, cependant, les séismes lents ont clairement été repérés au sein même de la zone sismogène (Boso au Japon, Hikurangi en Nouvelle Zélande) - une donnée importante car, dans ce cas, l’occurrence d’un séisme   lent pourrait avoir un effet direct sur le risque de tremblement de terre  . Pour Michel Campillo, chercheur à l’ISTerre, étudier ces phénomènes peut donc renseigner sur l’origine des grands séismes. En effet, plusieurs cas ont montré que des séismes lents ont pu influencer la survenue de gros séismes. « Nous ne sommes pas encore en phase d’interprétation finale, indique Michel Campillo, mais il est évident que l’état mécanique des zones de subduction   n’est pas comme nous le pensions. »

Une origine encore incertaine…

D’où viennent les séismes lents et quelle en sont les causes sont d’autres questions. Contrairement aux grands séismes dont les grandes périodes de retour (de 10 à 1000 ans, voire plus) permettent l’accumulation de contraintes élastiques sur les parties bloquées des failles, par la suite relâchées en quelques secondes ou minutes lorsqu’un point de rupture est atteint, « les séismes lents semblent s’initier spontanément, sans processus déclencheur clair », indique Jean-Mathieu Nocquet, chercheur CNRS? au laboratoire Géoazur. Il a cependant été proposé que des perturbations très faibles de contraintes, comme les marées océaniques ou un séisme   lointain, pourraient les déclencher ou les moduler, ajoute-t-il (lire l’interview).
Une autre hypothèse penche pour une lithologie (nature de roche) siliceuse, connue pour être propice au glissement. « Peut-être, admet Michel Campillo, mais tout reposer sur la lithologie est réducteur : le phénomène est plus compliqué et dépend de la pression, de la température, des fluides et donc, des changements de pétrologie (mécanisme à l’origine de la formation et de la transformation des roches, ndlr) générateurs, il est vrai, d’une lithologie qui accroît ou diminue les glissements. » Dans les zones de subduction  , la plaque lithosphérique « subductée » plonge en profondeur dans le manteau terrestre. À une trentaine de kilomètres de profondeur, en se réchauffant, elle libère de grandes quantités d’eau qui viennent exercer une pression supplémentaire à sa surface. Cette « pression de fluide » jouerait un rôle dans la vitesse de glissement, ajoute Mathilde Radiguet, physicienne à l’ISTerre, comme tendent à le montrer des observations indirectes. Hypothèse qui semble être confirmée par le fait que les séismes lents découverts à ce jour se situent pour l’essentiel au niveau de zones de subduction   relativement jeunes, qui sont plus susceptibles de libérer de grandes quantités d’eau en profondeur.

Comparaison des mesures GPS et de l'activité des tremors au Mexique : deux épisodes de séismes lents sont mis en évidence, en 2002 et 2006, par une plus grande activité de tremors conjuguée à un inversement du sens du déplacement
Comparaison des mesures GPS et de l’activité des tremors au Mexique : deux épisodes de séismes lents sont mis en évidence, en 2002 et 2006, par une plus grande activité de tremors conjuguée à un inversement du sens du déplacement
Source : CALTECH-TO

La tectonique des plaques   revisitée

Bien que récente, l’observation de ces phénomènes remet déjà plusieurs croyances scientifiques en question. « Séisme   lent ou tremblement de terre   basse fréquence ? On ne sait plus…, avoue Michel Campillo. Les séismes lents ont battu en brèche nos visions encore bien établies, il y a peu : la Terre fonctionne différemment de ce que l’on croyait. Pour le coup, on est dans la Terra Incognita et c’est très excitant ! »
Pendant longtemps, il a été admis qu’au cours de longues et calmes périodes de temps, des failles accumulaient des contraintes. Puis, celles-ci se débloquaient brusquement sous forme de tremblements de terre. Cette vision reste, semble-t-il, acceptable à l’échelle de millions d’années. Mais nombre de scientifiques la jugent désormais limitative à l’échelle de quelques centaines d’années où il se produit donc, en plus des séismes à proprement parler, des séismes lents qui pourraient permettre à une partie significative des glissements de failles de se faire de manière asismique.

Une région d’apparence calme pourrait ainsi ne pas être pour autant dénuée d’activité sismique significative et le phénomène d’accumulation et de relâchement des contraintes au niveau des failles paraît bien plus complexe que supposé.

Beaucoup reste à découvrir sur les séismes lents qui demeurent difficiles à observer, à caractériser et à cartographier, d’autant plus que les zones de subduction   où ils se concentrent de manière privilégiée s’étalent sur des centaines de kilomètres sous nos pieds… Plusieurs instrumentations novatrices sont à l’étude, comme le GPS fond de mer, l’inclinomètre ou encore l’interférométrie radar satellitaire, avec leurs limites respectives. Autre défi : le traitement massif des millions de données recueillies. Un véritable challenge scientifique et technologique pour obtenir une vision plus systématique des séismes lents au travers du monde et, de surcroît, pour peut-être mieux appréhender le risque sismique  .

Pour aller plus loin

planseisme picto 17 pointi - Connaissez-vous les séismes lents ? : Dossier du CNRS sur les séismes lents
- Au nord Pérou, l’observation continue révèle de nouvelles relations entre séismes et glissements : Article CNRS