Les populations qui vivent sur le pourtour du Pacifique, aux Antilles ...

2- LES ABYSSESTERRE, PLANE TE MYSTERIEUSEHu Vue en 3D de l'interaction entre les plaques Eurasie etPhilippine près de Taiwan. On remarque grâce aux deuxcoupes que la plaque en subduction est eurasienne au sudde l'île de Taiwan et philippine à l'est. L'île de Taiwan asurgi en réponse à l'enfoncement de la margecontinentale chinoise (5) sous la plaque Philippine il ya quelques millions d'années seulement. Une cartebathymétrique précise a pu être levée lors de lacampagne ACT du N/O L'Atalante de l’Ifremer en 1996.L'étoile rouge sur l'île indique l'épicentre du séisme deChichi de magnitude 7,6 en 1999 (2 500 morts). (1) Fossede Manille, (2) Mer de Chine du Sud, (3) Bassinouest-philippin, (4) arc volcanique de Luçon, (6) arc nonvolcanique des Ryukyus.Les populations qui vivent sur le pourtour du Pacifique, aux Antilles,en Méditerranée, ressentent fréquemment les vibrations de la Terre.Elles assistent, plus rarement, à des éruptions volcaniques quipeuvent devenir meurtrières. Dans ces régions, zones desubduction pour les spécialistes, la dynamique terrestre manifeste,plus que partout ailleurs, sa toute-puissance. Mais il ne s’agit passeulement de risques, c’est aussi là que germent les montagnes,que les roches du manteau se renouvellent.6 6

L E S S U B D U C T I O N S , Z O N E S À R I S Q U E SSerge LallemandGéodynamicienOn sait aujourd’hui que la subduction est un processus terrestre qui entraîneen profondeur des plaques lithosphériques et compense l’expansion desfonds océaniques. La surface de notre planète reste ainsi constante. Il a falluattendre la fin des années 1960 pour que la moisson d’observations géophysiquesdu fond des océans témoigne de la naissance de la croûte océaniqueaux dorsales. À partir de là, tout est allé très vite. Les plaques océaniquescréées aux dorsales devaient forcément plonger quelque part ! Le lien fut faitavec la découverte trente ans plus tôt, par le Japonais Wadati, de séismes profondsà la périphérie des océans. La théorie de la « tectonique des plaques »était née, révolutionnant notre approche de la dynamique terrestre ! Au premiermodèle global de Xavier Le Pichon en 1968, décrivant le mouvement desplaques à la surface du globe, a succédé une frénésie salutaire d’explorationocéanographique. Américains, Soviétiques et Européens ont rapidement dessinéles grandes lignes des marges actives, ainsi nommées à cause de l’intenseactivité sismique qui les caractérise. Depuis une trentaine d’années,d’autres nations sont entrées dans la course, dont le Japon, qui disposeaujourd’hui des outils d’exploration les plus performants. La France aussi qui,la première, conçut un submersible pour descendre à plus de 6 000 mètres etdont les premières plongées eurent lieu dans la fosse de Porto Rico en 1984.Dans les années 1980, les questions que l’on se posait au sujet des zones desubduction portaient sur leurs structures profondes, la manière dont étaient générésles séismes et le rôle des fluides, ce qu’il advenait des sédiments engouffrésdans les grandes fosses et l’importance du recyclage de matière dans le manteaudû à la subduction, la profondeur atteinte par les plaques lithosphériques,ou encore la source du magma des volcans typiques de ces régions.Traquer les plaques enfouiesÀ l’échelle du globe, les ondes émises par les séismes lointains permettent decartographier des anomalies de vitesse dans le manteau – on parle de tomographiesismique – qui nous renseignent sur le devenir des plaques plongeantes.Ainsi, certaines atteignent la base du manteau, tandis que d’autres semblentstagner entre 400 et 600 kilomètres. S’agissant des subductions, voirprofond revient à remonter dans le temps, un peu à la manière des astronomesavec leurs télescopes sauf que ceux des géophysiciens sont tournés vers l’intérieurde la Terre et s’appellent des sismomètres. Les vingt dernières années ontainsi livré une moisson d’images permettant de reconstituer le ballet des plaques.Risque sismique majeurParallèlement et plus près de la surface, les scientifiques scrutent dans lemoindre détail les zones de subduction à l’origine des séismes les plus destructeurs.Celui de Sumatra, en décembre 2004, combiné à un gigantesquetsunami, a coûté la vie à plus de 220 000 personnes. Il faut savoir que plus de90 % de l’énergie sismique est dissipée le long des frontières de plaquesen subduction.6 7

llllllllllllllll2 - L E S A B Y S S E STERRE, PLANE TE MYSTERIEUSEU Cette image sous-marine de la fosse deSumatra prise lors de la campagne Sumatra-Aftershocks en 2005 montre bien à gauche(couleur verdâtre) le prisme de sédiments plisséssur le fond océanique par l'enfoncement de laplaque indienne sous l'Indonésie. On comprend,à voir ce paysage tourmenté, que nos montagnespuissent présenter des plis, des fractures.▲▲ ▲▲ ▲▲ll▲lll▲ ▲ll l▲ ▲l llIle Siberut▲l l l l▲l▲▲ ▲Rétro-chevauchement côtierGlissement▲ ▲ ▲ ▲▲▲BassinPiggyback▲▲lllll l▲ll lll▲lCanyon▲l l lll llll lllll lll ll lll ll l l lll ll ll l l▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲▲▲▲▲l lRétro-chevauchement principallll ll ll▲ll▲▲▲ ▲▲▲Glissement▲l llll lSurrection▲ ▲▲ ▲ ▲u Vue sous-marine du flanc ouest de l'île Siberut.Les traits rouges signalent les failles chevauchantesassociées à la subduction de la plaque indienne sousl'Indonésie. Les traits noirs avec barbules délimitentles zones de glissements de terrain dus au séisme deSumatra (2004).Il y a deux raisons à cela : le frottement de deux plaques « froides » et l’extensionde la surface de contact. Mettons de côté les séismes « profonds » ou« intermédiaires » d’un type bien particulier. Pour qu’il y ait séisme à l’interfaceentre les plaques, il doit y avoir frottement, et pour cela, la température des rochesne doit pas excéder 350 à 450 °C, parce que, au-delà, elles deviennent ductiles.Par ailleurs, la magnitude d’un séisme dépend de l’extension de la ruptureet de la quantité de glissement. Les zones de subduction offrent à la fois lacontinuité nécessaire à la propagation de la rupture – 1600 kilomètres depuisSumatra jusqu’en Birmanie le 26 décembre 2004 – et la bonne gamme de températuresgrâce aux plaques qui, en s’enfonçant, refroidissent l’interface et augmententainsi la surface de frottement. La communauté internationale et leséquipes françaises se sont mobilisées après ce séisme historique. Le mouvementcosismique (pendant le séisme) et postsismique (après le séisme) a pu êtredécrit précisément grâce aux stations GPS installées dans la région avant l’événement.La structure de la marge a été cartographiée jusqu’à des profondeursde 30, voire 40 kilomètres, alimentant ainsi des modèles de déformation confrontésensuite aux temps d’arrivée et aux amplitudes du tsunami. L’intégration detoutes les observations permet de reproduire la séquence d’événements à l’originede la catastrophe et donc de mieux se préparer à la suivante.Confrontés aux 67 000 kilomètres de zones de subduction, les chercheursconcentrent leurs investigations sur les marges actives présentant les plusgrands risques : le Japon, le Chili, etc. L’objet de leur attention est l’interfacede frottement entre les plaques : la « zone sismogène ». Cette interface complexeprésente des zones « d’aspérités » où le glissement est instable et générateurde séismes, d’autres zones stables glissant sans séisme, d’autres enfinqui peuvent passer d’un mode à un autre. On pense que les séismes se déclenchentà partir des aspérités et se propagent le long des zones de glissement stable.C’est pourquoi il est important d’établir une carte précise de leur distribution,comme c’est le cas par exemple au Japon. Les progrès de l’imageriegéophysique indiquent que les reliefs océaniques (failles, édifices volcaniques,plateaux) jouent un rôle essentiel dans le couplage et la localisation des séismesde subduction. Ils peuvent tout à la fois servir d’aspérités qui concentrent descontraintes pouvant déclencher un séisme, et de barrière à la propagation de larupture. Des missions de forages océaniques profonds en travers de la marge suddu Japon ont démarré à l’automne 2007, avec la participation des équipes françaises.L’objectif est d’atteindre, grâce aux capacités exceptionnelles du navirejaponais Chikyu, la zone sismogène à une profondeur de 6 kilomètres sous lefond de l’océan. Les informations attendues seront précieuses pour la compréhensiondes mécanismes de rupture dans les zones de subduction.Comme si cela ne suffisait pas, la population se concentre au-dessus de ceszones, le plus souvent côtières, à forte activité économique et touristique, où,au risque sismique, s’ajoute le risque volcanique. En effet, les plaques en6 8

2 - L E S A B Y S S E STERRE, PLANÈTE MYSTÉRIEUSEU Le Japon est soumis à un risque (ou aléa)sismique permanent qui fait partie de la culturejaponaise. Depuis une trentaine d’années, deschercheurs français et japonais étudient lasubduction sous le Japon dans le but de mieuxcomprendre les processus à la frontière des plaquesqui déclenchent des séismes. Le programmeNantroseize, dirigé par des chercheurs américains,japonais, français dans le cadre du programmeinternational IODP, prévoit de forer la zone sismogènede la subduction japonaise dans les années à venir.Cette image sismique montre la subduction avec laplaque plongeante, le prisme sédimentaire (plissé)en dessus, les sites de forage prévus.subduction sont riches en eau; lorsqu’elles s’enfoncent, l’augmentation dela pression et de la température induit une migration des fluides vers la surfacequi provoque la fusion partielle du manteau et produit en surface un volcanismetrès explosif, typique des zones de subduction. Dans certaines régions,ce volcanisme finit par construire des îles en forme d’arcs (arcs insulaires).Ainsi, la subduction des plaques océaniques s’accompagne d’une ceinturevolcanique représentant un aléa supplémentaire pour des populations déjàmenacées par un littoral susceptible d’être inondé lors d’un tsunami, ou lasecousse d’un séisme. Ceci est vrai sur le pourtour du Pacifique, en Indonésie,en Méditerranée ou encore dans les Antilles.La « machine » subductionPar ailleurs, les zones de subduction sont des lieux privilégiés de transfert dematériel fluide ou rocheux. On l’a vu, les fluides contenus dans la plaque en subductionfavorisent la génèse des magmas d’arcs. Grâce aux isotopes cosmogéniquescomme le béryllium 10, on sait que des éléments de la plaque plongeantemigrent et remontent vers la surface au travers des laves des volcans d’arc.Des volumes de matière beaucoup plus importants encore sont échangés auvoisinage de la zone de contact entre les plaques. On a longtemps considéréque le rebord des plaques, sous lesquelles plongeaient d’autres plaques, croissaitau cours du temps par incorporation d’unités sédimentaires raclées dansles fosses océaniques par la subduction. Ce phénomène existe bel et bien,mais il ne concerne que la moitié des marges actives à une époque donnée. Nousavons en effet démontré, grâce à une meilleure imagerie sismique des margeset aux données de forages océaniques profonds, qu’un processus opposé« rabotait » en de nombreux endroits ce même rebord de plaque, l’érodait del’intérieur. Ainsi, plusieurs kilomètres cubes de roches sont incorporés chaqueannée aux marges des Antilles, en Alaska ou au Pakistan, où en sont au contrairearrachés comme dans les Mariannes, les Tonga, l’Amérique centrale ou le norddes Andes. Ces différents processus de production magmatique, d’abrasion oud’accrétion aux marges doivent être pris en compte dans le bilan de la« machine » subduction.7 0

u Les processus à l'œuvre dans les zonesde subduction sont encore mal connus. Pourcomprendre comment les deux plaquesinteragissent, comment se fait l'enfouissementdes roches de la lithopshère océanique et dessédiments qui la recouvrent ; à quelles conditionsde pression et de températures elles sontsoumises, des chercheurs élaborent des modèlesnumériques de subduction de plus en plusélaborés. Ici, on peut suivre sur une période detemps correspondant à 23 millions d'annéesl'évolution de la morphologie et de la densité d'uneplaque océanique qui entre en subduction.u Il est possible de simuler par ordinateurl'évolution d'une plaque océanique entrant ensubduction dans le manteau en tenant comptedes interactions complexes de type pression,température, vitesse de déformation, libérationd'eau depuis la plaque plongeante vers le manteausus-jacent... Les couleurs représentent latempérature et les flèches les mouvementsà un instant donné. Les simulations rendenttrès bien compte de l'évolution d'une subductionavec extension à l’arrière de l’arc volcaniqueet recul de la fosse (Myr = Millions d’années).La subduction d’une plaque océanique a de multiplesconséquences. L’une d’elles est la production demagma particulier qui remonte à la surface. Lorsquela subduction s’initie au milieu de l’océan, les couléesde lave s’épanchent d’abord sous l’eau, s’empilentles unes sur les autres jusqu’à finir par émerger sousla forme d’une guirlande d’îles volcaniques. Cesguirlandes ont généralement une forme typique d’arc.On parle alors d’arc insulaire, ou d’arc volcanique.Les modèlesSi la tectonique des plaques a permis de quantifier les mouvements relatifs entreles plaques, ce n’est que ces dernières années que nous avons mesuré l’importancedes couplages et interactions chimiques, thermiques ou mécaniquesentre la lithosphère et le manteau sous-jacent. Prenons le cas des Mariannesoù l’arc présente une distension et où la plaque pacifique plonge verticalement.On explique classiquement cette configuration par l’âge qui rend lepoids du panneau plongeant, lui-même entraîné par le manteau qui s’écouleraitvers l’est, élevé. Pourquoi alors, dans un contexte en apparence similaire,la même plaque pacifique plonge-t-elle sous le Japon avec un angle faiblegénérant de la compression dans l’arc ? La réponse est que notre premier raisonnementétait essentiellement statique et mécanique, or, nous disposons àprésent d’outils numériques de nouvelle génération permettant d’aborder cesproblèmes d’un point de vue dynamique, en faisant le lien entre les différentesenveloppes de la Terre, les conditions cinématiques, chimiques et thermiqueslocales et la réponse évolutive de la marge à ces sollicitations.De telles simulations nécessitent l’obtention de données denses sur des zonescibles bien identifiées. Les Américains concentrent leurs efforts sur la régiondes Cascades, les Mariannes ou l’Amérique centrale, les Allemands multiplientles reconnaissances dans le Pacifique ou en Indonésie. La France disposed’atouts sur son territoire où les Petites Antilles font l’objet d’une attentionparticulière. Un grand nombre de sismomètres « fond de mer » ont été déployésen 2007 au large de la Martinique pour étudier le séisme de magnitude 7,3survenu le 29 novembre. D’autres équipes françaises développent des coopérationsavec le Japon, le Chili, Taiwan ou le Maghreb, là où la fréquence descatastrophes naturelles reflète directement l’intensité de la déformation. Nousdisposons aujourd’hui d’outils de modélisation performants qui se nourrissentde séries temporelles d’observation du milieu. Nous devons impérativementdévelopper l’exploration et installer des observatoires permanents sinous ambitionnons de comprendre la « machine » subduction.71