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Les secrets de la faille qui donna naissance au tsunami de 2011

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Un tremblement de terre a provoqué un glissement record des fonds marins au large du Japon le 11 mars 2011. Conséquence : plus de 15.000 personnes sont mortes. Grâce à des forages, les mécanismes géologiques ayant causé le tsunami viennent d'être révélés. La faille qui a rompu était étonnamment fine et surtout fragile, en raison des caractéristiques de l'argile qui la comble.

Le Chikyu est un navire de recherche japonais inauguré en 2002. Il peut forer jusqu'à sept kilomètres de profondeur dans le plancher océanique. © Gleam, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Le 11 mars 2011 à 14 h 46 (heure locale), un séisme d'une magnitude de 9 a été ressenti sur la côte est du Japon. Dix minutes plus tard, des vagues mesurant jusqu'à 39 m de haut s'y sont abattues. De nombreuses agglomérations et infrastructures ont alors été détruites ou endommagées, comme la centrale nucléaire de Fukushima-Daiichi. Le bilan est lourd : 15.800 morts, 2.600 disparus et 6.100 blessés. Depuis, la quantité d'énergie libérée dans la fosse du Japon, environ 130 km au large de Sendai, continue de poser question.

Le tsunami a pris naissance au niveau d'une zone de subduction, qui est par définition une région propice aux séismes. Les mouvements tectoniques y poussent en permanence la plaque pacifique contre la plaque nord-américaine (vitesse de 8 à 10 cm par an). Ce phénomène provoque des déformations en profondeur (là où la pression est plus importante et les roches plus dures) et donc l'accumulation d'énergie. Elle est libérée lorsqu'un glissement survient entre les deux plaques, donc quand une faille se rompt, ce qui génère alors un tremblement de terre. Habituellement, ces mouvements n'affectent pas les fonds marins, car les forces de friction qui agissent dans les sédiments meubles limitent leurs déplacements vers la surface.

Habituellement... mais pas toujours. Le jour de la catastrophe, la rupture a bien eu lieu en profondeur, mais les mouvements de glissement sont parvenus jusqu'en surface. Du côté de la plaque nord-américaine, les fonds marins se sont alors élevés de 10 m, tout en se déplaçant de 50 m dans le plan horizontal. Jamais de telles valeurs n'avaient été observées. C'est très précisément ce phénomène qui a donné naissance aux vagues destructrices. Grâce à des forages, nous savons désormais pourquoi l'improbable s'est produit, donc pourquoi le plancher océanique est remonté. La zone de subduction est bien lubrifiée !

Comment se forme un tsunami ? Quel est le fonctionnement du système d'alerte Dart ? Pour le savoir, parcourez l'animation. © Idé

Une couche d’argile aux sédiments extrêmement fins

À la suite du drame, un programme de recherche a rapidement été créé pour tenter de le comprendre : le Japan Trench Fast Drilling Project (JFAST). Il met notamment en œuvre le navire de forage scientifique Chikyu. En mai 2012, un carottage a été réalisé au travers de l'interface des deux plaques tectoniques, par 7.000 m de fond. Des curiosités sont vite apparues dans les 1.000 m d'échantillons qui ont été remontés. Par exemple, les deux lithosphères sont séparées par une couche d’argile de seulement cinq mètres d'épaisseur, soit bien moins que les quelques dizaines de mètres habituelles. Est-ce l'explication à tout ?

Pour le savoir, des tests ont été menés en laboratoire. L'argile se compose de sédiments extrêmement fins qui glissent lorsqu'ils sont pressés entre les doigts, comme s'il s'agissait d'un lubrifiant. Ses caractéristiques sont d'ailleurs liées aux stress mécaniques subis. Le glissement des plaques génère des forces de friction, et donc un dégagement de chaleur. Ainsi, l'eau présente dans l'argile voit sa pression augmenter, ce qui augmente la force qu'elle exerce sur les roches imperméables avoisinantes. En écartant légèrement les deux plaques, l'eau facilite donc leur coulissement.

Plus faible coefficient de frottement des plaques tectoniques

Cette hypothèse a partiellement été confirmée à l'aide des mesures prises avec des thermomètres placés en juillet 2012 dans les trois puits de forage. Plus d'un an après le séisme de Tohoku, la température de l'argile était encore supérieure de 0,31 °C à celle des plaques avoisinantes. À partir de cette valeur, des estimations montrent que le coefficient de frottement de l'argile était six à huit fois moindre que celui des roches d'une faille « classique » le jour du drame, de quoi encore faciliter les mouvements lithosphériques.

Ainsi, les mouvements générés en profondeur sont arrivés en surface car la faille qui sépare les plaques tectoniques est fine et fragile, puisque comblée par une argile humide faite de grains particulièrement fins. Ces informations ont été dévoilées dans trois articles scientifiques dernièrement publiés dans la revue Science (Chester et al., Ujiie et al. et Fulton et al.). Une nouvelle question se pose désormais : existe-t-il d'autres failles sous-marines qui présentent ces caractéristiques ? Certains risques naturels pourraient ainsi être réévalués.