Un séisme ultraprofond dans le manteau inférieur, un phénomène que l’on pensait jusqu’ici impossible. © gearstd, Adobe Stock
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Des chercheurs pensent avoir détecté le tremblement de terre le plus profond du monde

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[EN VIDÉO] La sismologie, le stéthoscope qui écoute le cœur de la Terre  « La Terre est opaque mais elle est transparente aux ondes sismiques » nous explique Jean-Paul Montagner, chercheur à l'IPGP (Institut de physique du Globe de Paris), en préambule de cette vidéo. Nous plongeons grâce à elle dans les entrailles de la Terre, pour y observer sa structure et comprendre l'origine des séismes. 

Un séisme, situé à 750 km de profondeur, s'est produit en 2015 au large du Japon. Ce serait le premier tremblement de terre connu dans le manteau terrestre inférieur, un phénomène que les scientifiques ont encore du mal à expliquer.

Le 30 mai 2015, les habitants du Japon ont ressenti une secousse sismique d'une puissance extraordinaire qui a été ressentie dans l'ensemble des 47 préfectures du pays, une première depuis l'enregistrement des observations en 1884. Pourtant, malgré une magnitude de 7,9 et un épicentre situé dans l'archipel Ogasawara, à 900 km des côtes japonaises, aucun dommage majeur n'a été constaté. Et pour cause : le séisme s'est produit à 680 km de profondeur. Mais ce record, déjà connu et fort documenté, pourrait bien avoir encore été battu par une réplique, qui aurait été enregistrée à 750 km sous terre, dans le manteau profond, là où les chercheurs pensaient jusqu'ici que les tremblements de terre étaient impossibles.

Les tremblements de terre profonds, des événements rares et mystérieux

La grande majorité des tremblements de terre touchent en effet la croûte terrestre, où les plaques tectoniques accumulent le stress jusqu'à ce que le sol se fracture ou se déplace le long des failles. Mais, au-delà de 100 km de profondeur, là où commence l'asthénosphère, il n'existe aucun phénomène de ce type. Avec la pression et la température, les roches sont très visqueuses et fortement comprimées, ce qui empêche les craquements et glissements tels que ceux observés en surface. Les tremblements de terre profonds sont donc très rares : sur les 56.832 tremblements de terre modérés à important enregistrés entre 1976 et 2020, seulement 18 % étaient plus profonds que 70 kilomètres et à peine 4 % avaient un épicentre situé en-dessous de 300 km (le seuil considéré pour parler de séisme profond), selon le National Geographic.

L’épicentre du séisme se situait vers l’archipel d’Ogasawara, à 680 km de profondeur. © Plans

Dans le manteau supérieur, les scientifiques pensent que ces tremblements de terre sont liés au changement de phase de l'olivine qui, lorsqu'elle atteint un point critique en température et en pression, passe d'une structure cristalline à une autre. Le minéral se compacte alors brutalement, ce qui peut provoquer des séismes importants (lire article ci-dessous). Mais, dans le manteau profond -- qui commence à environ 700 km sous le Japon --, point d'olivine : celui-ci est principalement composé de bridgmanite, une forme de pérovskite silicatée.

Une réplique ultraprofonde à 750 km sous terre

Éric Kiser et ses collègues de l'université d'Arizona apportent pourtant de nouvelles preuves d'un séisme ultraprofond lors de la secousse de 2015. Les chercheurs ont examiné les données sismiques relatives au séisme pour détecter d'éventuelles répliques. Après un événement d'une telle puissance, les sismométries enregistrent de nombreux signaux dus à l'énergie qui se propage dans le sol. Pour différencier une réplique au milieu de ce bruit, ils ont utilisé une méthode appelée rétroprojection, qui consiste à empiler les données de plusieurs sismographes vers une grille d'emplacements de sources potentielles. Ils ont ainsi pu déterminer que le séisme principal avait donné lieu à quatre répliques situées entre 695 et 715 km de profondeur, ainsi qu'une autre enregistrée à 751 km, soit la secousse la plus profonde jamais enregistrée.

Un léger tassement de la dalle sous-marine

Pour expliquer ce séisme, les chercheurs avancent une nouvelle idée. Le choc de la secousse principale aurait diminué la contrainte élastique de résistance de la dalle sous-marine, ce qui aurait abouti à son tassement. Ce très léger déplacement aurait suffi à concentrer les contraintes exercées sur la dalle et provoquer un mouvement des roches, expliquent les auteurs dans leur article publié dans la revue Geophysical Research Letters.

Il est toutefois possible que la méthode utilisée produise des « fausses répliques », causées par le rebondissement des ondes sismiques sur les structures internes. La limite du manteau profond, estimée à 700 km, n'est pas non plus certaine. Néanmoins, s'il est avéré, un tremblement de terre situé dans le manteau inférieur obligerait à repenser le fonctionnement interne de notre Planète.

Pour en savoir plus

L'énigme des séismes profonds est peut-être résolue

Article de Laurent Sacco publié le 24/09/2013

L'existence de séismes se produisant à plusieurs centaines de kilomètres de profondeur dans le manteau rend les géophysiciens perplexes. Une équipe internationale composée de membres de plusieurs laboratoires du CNRS, dirigée par Alexandre Schubnel du laboratoire de géologie de l'École normale supérieure, vient d'apporter une nouvelle pièce au débat sur l'origine de ces séismes profonds. Il s'agirait bien d'un changement d'état cristallin affectant un minéral présent dans des plaques subductées, l'olivine.

La sismologie a fait de grands progrès depuis les travaux des pionniers qu'étaient Emil Wiechert, Richard Dixon Oldham et Harold Jeffreys au début du XXe siècle. Cette science s'est avérée précieuse pour l'établissement de la théorie de la tectonique des plaques, conjointement avec la découverte des inversions magnétiques. En retour, la théorie des plaques a permis de comprendre pourquoi la majorité des séismes étaient rassemblés le long de lignes que l'on sait maintenant être des frontières entre plaques. Nous comprenons maintenant pourquoi les volcans de la célèbre ceinture de feu du Pacifique se trouvent autant associés à des zones sismiquement actives.

Or, récemment, le 24 mai 2013, a eu lieu le plus grand séisme profond jamais mesuré : sa magnitude a été évaluée à 8,3 Mw (magnitude énergétique). Son hypocentre a été localisé à près de 620 km sous la mer d'Okhotsk (mer russe de l'océan Pacifique), mais du fait de sa profondeur, il n'a été que faiblement ressenti sur les îles de Sakhaline et d'Hokkaïdo, au Kamtchatka et en Sibérie orientale russe. Ce genre de séisme est connu depuis 1922 des géophysiciens. Ces événements se distinguent des autres séismes qui sont majoritairement superficiels, se produisant à moins de 100 km de profondeur. Curieusement, comme beaucoup des séismes profonds, celui d'Okhotsk n'a quasiment pas été suivi de répliques.

Hugo Benioff (1899-1968) était un sismologue américain. Il a réalisé l'essentiel de ses travaux sur l'étude de la localisation des séismes profonds de l'océan Pacifique. On lui doit aussi la conception d'un sismographe très utilisé partout dans le monde. © Caltech

Des séismes profonds dans des plaques en subduction

Les séismes profonds sont d'habitude associés à ce que l'on appelle des plans de Wadati-Benioff, des surfaces plus ou moins complexes, formées par la distribution des hypocentres de ces séismes, plongeant dans les profondeurs du manteau de la Terre. Le premier a été découvert par le géophysicien japonais Kiyoo Wadati en 1935, mais c'est à Hugo Benioff que l'on attribue leur étude systématique en 1949. La découverte de la théorie de la tectonique des plaques a permis d'interpréter ces plans comme des plaques en train de subir un processus de subduction.

Or, si l'on arrive à comprendre les séismes superficiels en termes de rupture mécanique de roche jusqu'à une profondeur de 50 km environ, ce n'est plus vraiment le cas au-delà. Les pressions et les températures entre 400 et 700 km de profondeur (là où la pression excède la centaine de milliers de bars) rendent cette interprétation plus délicate. Le comportement des roches devrait être plus proche de celui d'un matériau visqueux s'écoulant sous des contraintes que d'un matériau solide et cassant.

Réseau de fractures conjuguées dont le glissement rapide est à l'origine des ondes ultrasoniques enregistrées en laboratoire. Ces fractures, dont l'épaisseur est parfois surlignée en gris clair sur la micrographie électronique, sont remplies de la phase de haute pression de l'olivine de germanium. L'enstatite de germanium (MgGeO3), phase blanche et globuleuse, inerte dans le système, sert de marqueur du glissement. La barre d'échelle, située en bas à gauche de l'image, correspond à 10 microns, c'est-à-dire dix millionièmes de mètre. © A. Schubnel et al., CNRS, 2013

De l'olivine qui se transforme à haute pression

L'une des théories proposées, il y a plus de 50 ans, pour décrire la génération des ondes sismiques dans les roches associées aux plaques subductées à ces grandes profondeurs, supposait une transition de phase dans un minéral connu sous le nom d'olivine. Lorsque les températures et les pressions sont suffisantes, la structure cristalline de l'olivine devait changer pour devenir celles d'autres minéraux mais de même composition chimique. Toutefois, un débat existait au sein de la communauté des géophysiciens, quant à savoir si cette transition de phase se produisait vraiment.

Le débat vient d'être relancé, suite à la publication dans Science d'un article sur des expériences portant sur le comportement d'une roche synthétique constituée d'un agrégat compact de cristaux d'olivine de germanium (Mg2GeO4), un analogue structural de l'olivine naturelle. Il s'agissait de reproduire les conditions régnant dans le manteau à l'aide d'une presse adéquate, et de mesurer ce qui se passait dans l'échantillon au moyen d'un faisceau de rayons X issu du synchrotron de l'APS (Advanced Photon Source, Argonne, États-Unis).

L'équipe de chercheurs français du CNRS et leurs collègues états-uniens ont effectivement découvert que les cristaux d'olivine soumis à des pressions de 2 à 5 gigapascals (20.000 à 50.000 bars) et des températures avoisinant les 900 à 1.000 °C changeaient de phase tout en se fracturant. Le processus s'accompagnait d'une émission intense d'ondes ultrasoniques partageant bien des caractéristiques de celles enregistrées à l'occasion des séismes profonds. Ils ont découvert en particulier que l'émission d'ondes par une fracture ne se produisait qu'une seule fois. Cela concorde avec la quasi-absence de répliques constatée avec ces séismes. Il est donc probable que les scientifiques soient sur la voie de la résolution de l'énigme des séismes profonds.

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