Les forces gravitationnelles combinées de la Lune et du Soleil sont à l’origine des marées océaniques, mais elles déforment également la croûte continentale et les zones de contact entre les différentes plaques tectoniques, provoquant ce que l’on appelle, en géophysique, des marées terrestres. Depuis plusieurs années, des observations menées dans le sud-ouest du Japon et dans la zone de subduction de Cascadia (nord-ouest du Pacifique) ont révélé que certains séismes lents, des glissements de faille imperceptibles qui libèrent leur énergie sur des jours ou des semaines au lieu de quelques secondes, culminaient à des intervalles de 12 et 24 heures, parfaitement calés sur le rythme des marées.
Une corrélation bien trop évidente pour qu’elle ne relève que du hasard, mais on ignorait encore comment des forces aussi dérisoires (à l’échelle de la planète) pouvaient influer sur la lithosphère. Une équipe internationale de chercheurs, menée par Yishuo Zhou et Harsha S. Bhat, vient de proposer son explication, dans une étude. Portée par le Laboratoire de Géologie de l’ENS Paris (CNRS), le BRGM d’Orléans et l’Université de Tokyo, elle est parue le 20 septembre dans la revue Journal of Geophysical Research: Solid Earth. Selon eux, le mécanisme qui déclencherait les séismes lents serait comparable au phénomène de résonance, le même principe physique qui fait vibrer un verre en cristal lorsqu’on frotte son bord avec le doigt, mais transposé à l’échelle des failles tectoniques.
L’effet papillon au cœur de la croûte terrestre
« Bien que ces contraintes [NDLR : d’origine gravitationnelle] soient très faibles, généralement de l’ordre de quelques kilopascals, soit l’équivalent d’une légère pression de la main, il a été observé qu’elles déclenchent des séismes lents sur certaines failles », expliquent les chercheurs.
Comparées aux contraintes tectoniques qui s’accumulent sur des millénaires aux interfaces entre plaques, ces quelques kilopascals ne pèsent rien. Un paradoxe que l’étude entreprend de décortiquer : comment une force aussi insignifiante peut-elle provoquer le déclenchement de séismes lents, si puissants, le long des zones de subduction ?
Les chercheurs ont reproduit le comportement d’un segment de faille tectonique à l’aide d’un modèle appelé « spring block » : une représentation simplifiée (voir schéma ci-dessous) où un bloc rigide, figurant un pan de croûte terrestre, est tiré par un ressort qui emmagasine progressivement la contrainte tectonique jusqu’à ce que la friction cède et que le bloc glisse d’un coup.
À ce système, ils ont couplé une loi de friction appelée « rate-and-state », qui ajuste la résistance de la faille selon deux variables : sa vitesse de glissement instantanée et la façon dont les aspérités des deux surfaces rocheuses en contact évoluent dans le temps. En appliquant à ce système des perturbations périodiques calquées sur le rythme des marées, ils ont observé que le déclenchement dépendait de deux paramètres : l’amplitude de la contrainte et sa période.
Lorsque la période de la marée tombe en phase avec le temps de réponse naturel de la faille (le délai dont elle a besoin pour que le contact entre ses deux surfaces se réorganise et que sa résistance au glissement change), le phénomène de résonance se met en place : chaque cycle des marées renforce le précédent au lieu de se dissiper, et la vitesse de glissement s’emballe bien au-delà de ce que la contrainte initiale, prise isolément, pourrait provoquer. Les chercheurs comparent le mécanisme à « une balançoire que l’on pousse au bon rythme » : la poussée est faible, mais si elle arrive toujours au bon moment, l’amplitude finit par dépasser largement la force de chaque impulsion.
Dans le modèle établi par les chercheurs, lorsque la force exercée par les marées sur la faille dépasse un certain palier, elle ne déclenche plus des séismes lents, mais de véritables séismes. Ainsi, le phénomène de résonance qu’ils viennent de mettre au jour pourrait aider à mieux cerner les propriétés mécaniques des failles les plus dangereuses de la planète. Puisqu’on connaît le calendrier des marées terrestres à la seconde près, sa confrontation avec les séismes lents détectés sur une faille permettrait aux sismologues d’en déduire sa résistance frictionnelle et la distance de glissement nécessaire à son affaiblissement. Un progrès immense pour la discipline, puisque ces paramètres ne peuvent être mesurés que par forage… ou constatés après coup, une fois le séisme terminé.
