Comment se déclenche un séisme ?

La croûte terrestre est soumise en continu à d'énormes pressionspressions tectoniques liées aux mouvements des plaques. C'est ainsi toute l'écorce terrestre qui subit une déformation constante, plus ou moins importante en fonction des régions. Les zones où les contraintes sont maximales sont les limites de plaques tectoniques convergentes ou transformantes. Dans le premier cas, une plaque passe sous une autre au niveau d'une zone de subductionzone de subduction, suivie potentiellement d'une collision. Dans le deuxième cas, les deux plaques glissent latéralement l'une contre l'autre.

Une accumulation de contraintes liées au mouvement des plaques tectoniques

Si la croûte terrestre peut emmagasiner une certaine quantité de déformations, l'intensité des contraintes exercées mène le plus souvent au développement de failles. Celles-ci, en focalisant la déformation sur un plan, vont permettre d'accommoder cette dernière via le mouvementmouvement relatif de deux blocs.

Mais, la plupart du temps, cette accommodation de la déformation tectonique ne se fait pas de manière fluide ni régulière. Autrement dit, il est rare que les blocs glissent librement et graduellement le long de la faille. Le plan de faille possède souvent une géométrie complexe, il n'est pas forcément vertical ni lisse. De nombreuses aspérités empêchent le glissement des blocs l'un par rapport à l'autre. De plus, la pression qui règne en profondeur maintient les failles plus ou moins fermées et empêche les blocs de bouger facilement.

Détail du cycle sismique : chargement des contraintes tectoniques avec déformation plastique des roches tandis que la faille est bloquée puis rupture brutale du plan de faille (séisme) et ré-équilibration des contraintes. © R. Lacassin, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Déformation élastique des roches et rupture

Or, si la faille est bloquée, les contraintes tectoniques, elles, sont continues. Sous l'effet de cette pression qui s'accumule au fil du temps, les roches vont donc commencer à se déformer de façon élastique. Mais cette déformation n'est pas illimitée. La contrainte sur les roches va ainsi s'accumuler jusqu'à atteindre une valeur critique que les roches ne peuvent plus supporter. La contrainte va alors être brutalement libérée le long d'une zone de faiblesse, généralement une faille préexistante. Les aspérités sur le plan de faille qui empêchaient les blocs de coulisser vont alors céder brusquement et les deux compartiments vont subir un déplacement relatif brutal. Le frottement qui a lieu alors sur la faille dissipe l'énergieénergie accumulée d'une part sous forme de chaleurchaleur (frottement mécanique), et d'autre part, sous forme d’ondes sismiques (de vibrationsvibrations). Ces ondes sont émises dans toutes les directions à partir du point de blocage initial, que l'on appelle « foyer sismique ».

En arrivant en surface, ces ondes vont engendrer des secousses qui pourront ou non être ressenties par la population en fonction de la quantité d'énergie libérée. C'est ce qu'on appelle un tremblement de terretremblement de terre ou un séisme.

Plus la quantité d'énergie emmagasinée durant la période de « charge » est importante, plus le séisme sera violent. La magnitude permet de quantifier cette quantité d’énergie libérée. L'intensité d'un séisme (la façon dont il sera ressenti en surface et la quantité de dégâts qu'il occasionnera) dépend, quant à elle, de nombreux paramètres, comme la profondeur du foyer -- les séismes superficiels sont plus dommageables que les séismes profonds -- et la nature du sol en surface -- certains sols conduisent mieux les ondes sismiques que d'autres.

Les dégâts et les pertes humaines lors du séisme de 2008 dans la province de Sichuan (Chine) avaient été très importants. © 人神之间, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0

Segmentation de la faille

Il faut préciser qu'une faille ne rompt généralement pas en totalité. Premièrement, parce qu'une faille est rarement continue sur plusieurs centaines de kilomètres. Elle se compose en réalité d'un ensemble de segments qui peuvent être plus ou moins connectés et séparés par des zones de relais. C'est pour cela que l'on parle souvent de système de faille. Deuxièmement, parce que chaque segment possède de multiples aspérités : certaines vont lâcher plus rapidement que d'autres. La relaxation de la contrainte a donc généralement lieu sur un seul segment de faille, les segments adjacents pouvant continuer à accumuler la contrainte. Il est cependant fréquent que le déplacement le long d'un segment déstabilise un segment adjacent. On observe alors une série de séismes (à plus ou moins long intervalle de temps) de proche en proche le long de la faille. C'est le cas par exemple de la faille nord-anatolienne.

Notion de cycle sismique

À l'issue d'un séisme, le segment de faille a donc accommodé la déformation régionale liée au mouvement des plaques tectoniques. Les contraintes sont rééquilibrées et on repart à zéro. La faille peut cependant continuer à bouger légèrement pendant un certain temps, jusqu'à ce que toute l'énergie accumulée dans les roches soit libérée, c'est ce qu'on appelle les « répliques sismiquesrépliques sismiques » qui produisent de nouveaux séismes quoique de magnitudemagnitude inférieure au séisme principal.

Photo de la rupture de surface liée au Séisme du 6 février 2023 (Mw 7.8) en Turquie. La route se retrouve ici cisaillée et décalée d'environ 3 mètres. © Cengis Zabci (Istanbul Technical University).

Puis la faille se bloque à nouveau, devient « silencieuse » et la contrainte tectonique va recommencer à s'accumuler. Ce cycle de charge-décharge s'appelle le « cycle sismique ». On parle ainsi de déformation cosismique au moment du séisme et de déformation intersismique durant les périodes de recharge entre deux séismes. Pour une faille donnée, il est intéressant d'observer la récurrence des séismes et ainsi de définir la duréedurée d'un cycle. Ceux-ci ne sont cependant pas forcément très réguliers mais ces données permettent de comprendre le comportement de la faille et d'estimer grossièrement quand surviendra un prochain séisme.