Un grand tremblement de terre dans le nord-ouest américain du Pacifique?

Que se passe-t-il à environ 150 km sous la surface de la Terre? Image via de bonnes photos gratuites.

Par Miles Bodmer, Université de l'Oregon et Doug Toomey, Université de l'Oregon

Le nord-ouest du Pacifique est connu pour beaucoup de choses: sa bière, sa musique, ses créatures mythiques au grand pied. La plupart des gens ne l'associent pas à des tremblements de terre, mais ils devraient le faire. Elle abrite la faille Cascadia Megastrust qui s'étend sur 966 km du nord de la Californie jusqu'à l'île de Vancouver au Canada, couvrant plusieurs grandes régions métropolitaines, notamment Seattle et Portland, dans l'Oregon.

Cette faille géologique a été relativement calme dans la mémoire récente. Il n’ya pas eu beaucoup de tremblements de terre largement ressentis le long de la méga-autoroute de Cascadia, certainement rien qui ne puisse rivaliser avec un événement catastrophique comme le tremblement de terre de Loma Prieta de 1989 sur l’actuel San Andreas en Californie. Cela ne veut pas dire qu'il restera silencieux. Les scientifiques savent que des tremblements de terre de de magnitude 9 peuvent se produire.

Les géophysiciens savent depuis plus de 10 ans que toutes les parties de la faille Megastrust de Cascadia ne se comportent pas de la même manière. Les secteurs nord et sud sont beaucoup plus sismiques que le centre avec de fréquents tremblements de terre et des déformations du sol que les habitants ne remarquent pas souvent. Mais pourquoi ces variations existent-elles et qu'est-ce qui les engendre?

Notre recherche tente de répondre à ces questions en construisant des images de ce qui se passe au plus profond de la Terre, à plus de 144 km au-dessous de la faille. Nous avons identifié des régions qui se dressent sous ces sections actives et qui, selon nous, conduisent aux différences observables le long de la faille Cascadia.

Cascadia et le «vraiment grand»

La zone de subduction de Cascadia est une région où deux plaques tectoniques sont en collision. Le Juan de Fuca, une petite plaque océanique, est entraîné sous la plaque nord-américaine, au sommet de laquelle se trouve la partie continentale des États-Unis.

La plaque Juan de Fuca rencontre la plaque nord-américaine sous la faille Cascadia. Image via USGS.

Les systèmes de subduction - où une plaque tectonique glisse sur une autre - sont capables de produire les plus grands séismes connus au monde. Le tremblement de terre de Tohoku en 2011, qui a secoué le Japon, en est un excellent exemple.

Cascadia est sismiquement très calme comparé aux autres zones de subduction - mais ce n’est pas complètement inactif. La recherche indique que la faille a été rompue lors d'un événement de magnitude 9, 0 en 1700. C'est environ 30 fois plus puissant que le plus grand séisme prédit à San Andreas. Les chercheurs suggèrent que nous sommes dans la période d'environ 300 à 500 ans au cours de laquelle un autre événement important de Cascadia pourrait se produire.

Chaque année, de nombreux événements mineurs et non ressentis ont lieu dans le nord et le sud de Cascadia. Cependant, dans le centre de Cascadia, sous-jacente à la majeure partie de l'Oregon, la sismicité est très faible. Pourquoi un même défaut se comporterait-il différemment selon les régions?

Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont fait plusieurs observations supplémentaires mettant en évidence les variations le long de la faille.

L'un concerne le verrouillage de la plaque, qui nous indique où la contrainte s'accumule le long de la faille. Si les plaques tectoniques sont verrouillées - c'est-à-dire qu'elles sont vraiment collées et incapables de se rapprocher les unes des autres - le stress s'accumule. Finalement, ce stress peut être relâché rapidement sous forme de tremblement de terre, son ampleur dépendant de la taille de la plaque de faille qui se rompt.

Un géocapteur GPS à Washington. Image via Bdelisle.

Les géologues ont récemment été en mesure de déployer des centaines de moniteurs GPS dans Cascadia pour enregistrer les subtiles déformations du sol résultant de l'incapacité des plaques à se glisser les unes sur les autres. Tout comme la sismicité historique, le verrouillage des plaques est plus courant dans le nord et le sud de Cascadia.

Les géologues peuvent également observer des tremblements sismiques difficiles à détecter, appelés tremblements. Ces événements se produisent sur une période de plusieurs minutes à plusieurs semaines, prenant beaucoup plus de temps qu'un séisme typique. Ils ne provoquent pas de grands mouvements du sol, même s'ils peuvent libérer une quantité d'énergie importante. Les chercheurs ont seulement découvert ces signaux au cours des 15 dernières années, mais les stations sismiques permanentes ont permis de constituer un catalogue complet d'événements. Les tremblements semblent également être plus concentrés le long des parties nord et sud de la faille.

Qu'est-ce qui causerait cette situation, avec la zone sous l'Oregon relativement moins active par toutes ces mesures? Pour expliquer, nous avons dû regarder en profondeur, à plus de 100 kilomètres sous la surface, dans le manteau de la Terre.

Les points verts et les triangles bleus indiquent l'emplacement des stations de surveillance sismique. Image via Bodmer et al., 2018, Geophysical Research Letters.

Imagerie de la Terre à l'aide de tremblements de terre lointains

Les médecins utilisent des ondes électromagnétiques pour «voir» les structures internes, telles que les os, sans avoir besoin d'ouvrir un patient humain pour les visualiser directement. Les géologues décrivent la Terre de la même manière. Au lieu des rayons X, nous utilisons l'énergie sismique provenant de tremblements de terre d'une magnitude supérieure à 6, 0 pour nous aider à «voir» des caractéristiques que nous ne pouvons tout simplement pas atteindre. Cette énergie voyage comme des ondes sonores à travers les structures de la Terre. Lorsque la roche est plus ou moins fondue, même en très petite quantité, les ondes sismiques ralentissent. En mesurant les heures d'arrivée des ondes sismiques, nous créons des images en trois dimensions montrant la vitesse à laquelle les ondes sismiques se déplacent à une vitesse rapide ou lente, dans des régions spécifiques de la Terre.

Sismomètres de fond d’océan en attente de déploiement dans le cadre de l’Initiative Cascadia. Image via Emilie Hooft.

Pour voir ces signaux, nous avons besoin des enregistrements des stations de surveillance sismique. Plus de capteurs offrent une meilleure résolution et une image plus nette - mais la collecte de plus de données peut être problématique lorsque la moitié de la zone qui vous intéresse est sous l'eau. Pour relever ce défi, nous avons fait partie d'une équipe de scientifiques qui ont déployé des centaines de sismomètres au fond de l'océan américain pendant quatre ans, à compter de 2011. Cette expérience, la Cascadia Initiative, a été la première à couvrir une plaque tectonique entière avec des instruments espacés d’environ 50 km.

Nous avons trouvé deux régions anormales sous la faille où les ondes sismiques se propagent plus lentement que prévu. Ces anomalies sont importantes, environ 150 km de diamètre et apparaissent sous les sections nord et sud de la faille. Rappelez-vous que les chercheurs ont déjà constaté une activité accrue: la sismicité. Fait intéressant, les anomalies ne sont pas présentes sous la partie centrale de la faille, sous l'Oregon, où nous assistons à une diminution de l'activité.

Les régions où les ondes sismiques se sont déplacées plus lentement, en moyenne, sont plus rouges, tandis que les zones où elles se sont déplacées plus rapidement sont plus bleues. Les zones anormales plus lentes situées à 150 km sous la surface de la Terre correspondent aux endroits où les plaques en collision sont plus verrouillées et aux tremblements plus fréquents. Image via Bodmer et al., 2018, Geophysical Research Letters.

Alors, quelles sont exactement ces anomalies?

Les plaques tectoniques flottent sur la couche du manteau rocheux de la Terre. Là où le manteau se lève lentement pendant des millions d'années, le rocher se décompresse. Comme il fait si chaud, près de 1500 degrés Celsius (2700 F) à 100 km (60 mi) de profondeur, il peut fondre très légèrement.

Ces changements physiques rendent les régions anormales plus flottantes. La roche chaude fondue est moins dense que la roche solide plus froide. C’est cette flottabilité qui, à notre avis, affecte le comportement de la faute ci-dessus. La région chaude et partiellement fondue remonte vers le haut, comme un ballon à hélium pourrait s'élever contre un drap drapé dessus. Nous pensons que cela augmente les efforts entre les deux plaques, les rendant plus fortement couplées et donc plus complètement verrouillées.

Une prédiction générale pour où, mais pas quand

Nos résultats fournissent de nouvelles informations sur le comportement de cette zone de subduction, et éventuellement d'autres, sur des périodes géologiques de plusieurs millions d'années. Malheureusement, nos résultats ne permettent pas de prédire quand le prochain séisme de grande ampleur de Cascadia se produira. Cela nécessitera davantage de recherche et une surveillance active dense de la zone de subduction, à la fois onshore et offshore, en utilisant des stations sismiques et de type GPS pour capturer les phénomènes à court terme.

Nos travaux suggèrent qu’un événement important est plus susceptible de commencer dans les sections nord ou sud de la faille, où les plaques sont mieux verrouillées, et donne une raison possible pour expliquer ce phénomène.

Il reste important pour le public et les décideurs de rester informés du risque potentiel de cohabitation avec une faille de zone de subduction et de soutenir des programmes tels que Earthquake Early Warning, qui visent à développer nos capacités de surveillance et à limiter les pertes en cas de rupture importante.

Miles Bodmer, Ph.D. Étudiant en sciences de la Terre à l'Université de l'Oregon et Doug Toomey, professeur de sciences de la Terre à l'Université de l'Oregon

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.

En résumé: Certaines parties de la faille Cascadia du nord-ouest du Pacifique sont plus sismiquement actives que d’autres. Les données d'imagerie suggèrent pourquoi.