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Un séisme se produit par la rupture d’un plan de faille, qui entraîne un mouvement relatif soudain de deux compartiments rocheux. L’orientation de ce mouvement relatif va ainsi permettre de définir plusieurs types de failles :

  • lorsque le glissement des blocs est horizontal et se fait le long d’une faille quasi-verticale, on parle de faille de décrochement ou faille de cisaillement ;
Faille décrochante sénestre. © RobinL, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0
Faille décrochante sénestre. © RobinL, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0
  • lorsque le plan de faille est incliné et que le compartiment supérieur se déplace vers le haut, il s’agit d’une faille inverse ou chevauchement ;
Faille inverse. © RobinL, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0
Faille inverse. © RobinL, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0
  • lorsque le plan de faille est incliné et que le compartiment supérieur se déplace vers le bas, il s’agit d’une faille normale.
Fonctionnement d’une faille normale soumise à une contrainte extensive. © RobinL, Wikipedia Commons, CC by-sa 3.0
Fonctionnement d’une faille normale soumise à une contrainte extensive. © RobinL, Wikipedia Commons, CC by-sa 3.0

Il peut arriver que ces mouvements ne comportent qu’une seule composante. On parlera alors de décrochement pur, de faille inverse pure et de faille normale pure. Mais la plupart du temps, les mouvements le long de la faille sont plus complexes. On observe alors des combinaisons entre ces trois types de glissements : une faille normale ou inverse peut en effet posséder une composante décrochante plus ou moins importante.

Identifier le comportement des failles en profondeur grâce aux ondes sismiques

Chaque faille se comporte ainsi de manière bien spécifique, en fonction du champ de contrainte qui lui est appliqué. Connaître ce comportement, que l’on appelle le mécanisme au foyer, est donc important pour mieux comprendre les mouvements tectoniques régionaux, voire anticiper les futurs séismes. Cependant, les failles sont rarement accessibles. Seuls les grands événements sismiques, de forte magnitude, amènent une rupture jusqu’en surface. La plupart du temps, si le séisme est certes enregistré voire ressenti, la faille restera invisible.

Le mécanisme au foyer peut cependant être déterminé grâce aux ondes sismiques qui sont émises lors d’un tremblement de terre. L’enregistrement de ces ondes sismiques par des sismomètres révèle que les premières arrivées d’ondes P sont polarisées : la direction des mouvements du sol va alors dépendre de l’orientation de la station sismique par rapport à la faille. Dans un premier cas, on peut observer que les particules de sol se déplacent vers la source sismique, ce qui traduit une dilatation du sol au niveau de la station. Dans un deuxième cas, on peut observer que les particules s’éloignent de la source sismique, ce qui traduit une compression du sol. Ces premiers mouvements en surface reflètent les mouvements qui se sont produits sur la faille au moment de la rupture. Pour un même séisme, en fonction de là où se situe la station sismique, on enregistrera donc soit une dilatation, soit une compression.

Construction de la représentation d'un mécanisme au foyer pour un séisme : à gauche, les points représentent la polarité des premières arrivées d'ondes P pour plusieurs stations sismiques (en noir, les stations ayant enregistré une arrivée en compression, en blanc les stations ayant enregistré les arrivées en dilatation), l'image au centre montre les deux plans nodaux qui séparent les quatre secteurs, enfin à droite, on obtient la représentation du mécanisme au foyer. © Mikenorton, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0
Construction de la représentation d'un mécanisme au foyer pour un séisme : à gauche, les points représentent la polarité des premières arrivées d'ondes P pour plusieurs stations sismiques (en noir, les stations ayant enregistré une arrivée en compression, en blanc les stations ayant enregistré les arrivées en dilatation), l'image au centre montre les deux plans nodaux qui séparent les quatre secteurs, enfin à droite, on obtient la représentation du mécanisme au foyer. © Mikenorton, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0

Secteurs en compression ou en dilatation

Prenons par exemple le cas d’une faille normale. Au moment de la rupture, le compartiment situé au-dessus de la faille va descendre. Cela va produire un secteur en dilatation dans la partie supérieure de ce compartiment, mais un secteur en compression dans la partie inférieure. À l’inverse, le compartiment situé sous la faille va connaître une compression dans sa partie supérieure et une dilatation dans sa partie inférieure. En cartographiant les zones ayant subi une dilatation ou une compression lors d’un séisme, il est donc possible de construire une image du mécanisme au foyer, sous la forme d’une sphère possédant plusieurs quadrants : deux en dilatation qui apparaissent en blanc, et deux en compression qui apparaissent en noir. Ces quatre quadrants sont séparés par deux plans nodaux, dont l’un représente le plan de faille. L’autre est le plan auxiliaire, c’est-à-dire le plan perpendiculaire à la direction du mouvement sur la faille. Sur les cartes, cette sphère est représentée dans une projection stéréographique hémisphérique.

De gauche à droite, représentation stéréographique des mécanismes au foyer pour une faille décrochante sénestre, une faille inverse et une faille normale. © Mikenorton, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0
De gauche à droite, représentation stéréographique des mécanismes au foyer pour une faille décrochante sénestre, une faille inverse et une faille normale. © Mikenorton, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0

Délimiter les plaques tectoniques et comprendre leurs mouvements

Au premier coup d’œil, il est donc possible de savoir s’il s’agit d’une faille décrochante, normale ou inverse. Si les deux plans nodaux apparaissent sur la projection stéréographique sous la forme de droites perpendiculaires, il s’agit d’une faille décrochante possédant un glissement purement cisaillant. Si les deux plans nodaux forment des arcs et que la partie en compression (noire) est au centre, il s’agit alors d’une faille inverse (mouvement compressif). Enfin, si à l’inverse c’est la partie en dilatation (blanche) qui se trouve au centre, c’est qu’il s’agit d’une faille normale (mouvement extensif).

La compilation sur une carte de l’ensemble des mécanismes au foyer déterminés pour les failles d’une région permet ainsi de mettre en évidence le champ de contrainte des plaques tectoniques, d’identifier leurs limites, d’observer le sens de leur déplacement, etc. Il s’agit donc d’une donnée essentielle pour toute étude tectonique.

La détermination des mécanismes au foyer se fait aujourd’hui de façon automatique au sein des grands centres de sismologie, qui récupèrent en temps réel les sismogrammes des réseaux sismiques dont ils sont en charge.