0:00Introduction
En juin 1929, un fort séisme a secoué l'île du Sud de la Nouvelle-Zélande. À Copenhague, une sismologue nommée Inge Lehmann a étudié les enregistrements qu'il avait laissés dans des stations du monde entier. De faibles ondes avaient atteint des stations en Russie, dans une zone où, selon toutes les théories de l'époque, le noyau de la Terre aurait dû les empêcher d'arriver.
Elle a consacré des années à cette énigme. En 1936, elle a publié sa réponse. Au plus profond du noyau liquide, il doit exister un second noyau, interne, où les ondes se propagent plus vite. C'est ce noyau interne qui avait dévié ces ondes jusque dans la zone interdite. Personne n'y est jamais allé. C'est un séisme qui le lui a montré, et d'ici la fin de ce cours, vous verrez comment.
Dans ce cours, nous allons suivre un séisme du début à la fin. Nous verrons comment une faille se charge et se rompt, et comment les scientifiques lisent ses ondes. Puis nous verrons comment un séisme mène au suivant, et ce que les ondes révèlent au plus profond de la planète.
1:00La mise en charge
L'enveloppe extérieure de la Terre est fragmentée en plaques qui dérivent de quelques centimètres par an. Là où deux plaques se rencontrent, la limite qui les sépare est une faille, et la plupart du temps, les deux côtés restent bloqués l'un contre l'autre, alors même que les plaques continuent de bouger.
1:13La roche proche d'une faille bloquée se déforme lentement, comme un tremplin qui ploie sous un poids croissant. En 1910, un géologue nommé Harry Fielding Reid l'a démontré à partir de relevés topographiques effectués avant et après le grand séisme de San Francisco de 1906. Il a appelé cela le rebond élastique : des décennies de lente déformation, puis une détente soudaine.
1:34C'est le cycle sismique. La faille se charge pendant des décennies ou des siècles, se rompt en quelques secondes ou minutes, puis se bloque et recommence à se charger. Chaque grand séisme est un tour de ce cycle.
1:48Les scientifiques peuvent observer la charge s'accumuler. Des récepteurs GPS ancrés dans le sol suivent leur propre position à une fraction de pouce près, quelques millimètres. Loin d'une faille bloquée, les stations se déplacent avec leur plaque, mais celles qui en sont proches prennent du retard. Le sol se déforme.
2:06Le degré de blocage d'une faille s'appelle son couplage. Une faille entièrement couplée emmagasine presque tout le mouvement des plaques, année après année. Au large du nord-est du Japon, le grand séisme de mars 2011 a montré que les plaques y étaient bloquées jusqu'à la fosse, là où la plaque pacifique plonge sous le Japon. Quand cette limite a cédé, le plancher océanique s'est déplacé, par endroits d'environ 50 mètres, plus de 150 pieds.
2:33Toutes les failles ne restent pas parfaitement immobiles pendant qu'elles se chargent. Sous l'État de Washington et la Colombie-Britannique, la partie profonde de la limite entre les plaques glisse d'un pouce environ, quelques centimètres, en l'espace de deux semaines environ, à peu près tous les 14 mois. Personne ne le ressent. Le GPS a révélé ces événements de glissement lent vers l'an 2000. Les scientifiques les surveillent de près, car chacun d'eux ajoute de la charge à la partie bloquée de la faille, située au-dessus.
3:00Le cycle laisse une trace dans le sol. Les géologues creusent des tranchées en travers des failles et lisent les couches du sol comme les pages d'un livre. Là où une couche est déchirée et décalée, c'est un séisme qui l'a rompue. La datation de ces couches montre à quelle fréquence une faille s'est rompue sur des milliers d'années.
3:20La rupture
Un séisme ne rompt pas toute la faille d'un seul coup. Il commence en un point, l'hypocentre, là où la contrainte l'emporte d'abord sur le frottement. De là, la cassure, ou rupture, se propage à toute vitesse sur la faille, généralement à raison de 2 à 3 kilomètres par seconde. Quelques ruptures vont même plus vite que certaines des ondes qu'elles émettent.
3:39Plus le séisme est grand, plus la rupture se prolonge. Un séisme modéré se termine en quelques secondes. Lors du grand séisme de Sumatra de 2004, la rupture a continué de progresser vers le nord pendant environ huit minutes, sur plus de 1 300 kilomètres de faille.
3:56L'étendue de faille qui se rompt et l'ampleur de son glissement déterminent la taille d'un séisme. Les scientifiques multiplient trois grandeurs : la surface de faille qui s'est rompue, la distance dont ses deux côtés ont glissé, et la rigidité de la roche. Le résultat, le moment sismique, est la base de l'échelle de magnitude moderne. Chaque échelon entier de l'échelle correspond à environ 32 fois plus d'énergie libérée.
4:18La plupart des séismes commencent à moins d'environ 70 kilomètres de la surface. Mais là où une plaque plonge sous une autre, les séismes suivent la plaque qui s'enfonce, jusqu'à environ 700 kilomètres de profondeur. En 1994, l'un des plus grands séismes profonds jamais enregistrés a frappé à environ 630 kilomètres sous la Bolivie. Il a été ressenti jusqu'au Canada.
4:44La lecture des ondes
La rupture émet des ondes. Les ondes P compriment et étirent la roche, comme une poussée le long d'un ressort, et ce sont les plus rapides. Les ondes S la secouent d'un côté à l'autre, et arrivent plus tard. Là où elles atteignent la surface, des ondes de surface se propagent en roulant le long du sol. Ce sont les plus lentes, et elles causent une grande partie des dégâts.
5:03L'écart entre les ondes P et S indique à une station à quelle distance se trouve le séisme. Pour un séisme proche, chaque seconde de cet écart correspond à environ 8 kilomètres. Trois stations suffisent pour localiser précisément le point, et des réseaux de plusieurs centaines de stations le font en quelques secondes.
5:19Les failles se rompent de trois façons principales. Dans une faille normale, la croûte s'étire et un bloc s'abaisse. Dans une faille inverse, elle est comprimée et un bloc chevauche l'autre. Dans une faille de décrochement, les deux côtés coulissent latéralement l'un contre l'autre.
5:34Les ondes elles-mêmes révèlent de quelle manière une faille s'est rompue. Dans certaines stations, le premier mouvement du sol est une poussée ; dans d'autres, une traction. Reportées autour du globe, ces poussées et ces tractions dessinent un motif que les sismologues surnomment « ballon de plage ». En février 2023, un séisme de magnitude 7,8 a frappé la Türkiye. Son ballon de plage a montré une rupture en décrochement, et ses répliques ont tracé cette rupture le long de la faille est-anatolienne.
6:02La taille est plus longue à établir. En 2011, la première alerte au tsunami du Japon, environ trois minutes après le début des secousses, reposait sur une magnitude de 7,9. La méthode rapide atteint sa limite pour les plus grands séismes, et l'estimation a été relevée, par étapes, jusqu'à 9. Les chiffres rapides servent aux alertes ; le chiffre définitif provient de l'enregistrement complet.
6:27Ce chiffre définitif est la magnitude de moment, calculée à partir de la surface de la faille et de son glissement. Contrairement aux échelles plus anciennes, elle ne cesse pas de croître pour les plus grands séismes. Un grand séisme peut donc afficher plusieurs magnitudes au cours de sa première heure, à mesure que les estimations rapides cèdent la place à la magnitude de moment.
6:45Les satellites radar peuvent cartographier un séisme entier d'un seul coup. En comparant des images prises avant et après, ils dessinent des bandes de couleur là où le sol a bougé, chaque bande représentant environ 3 centimètres, environ un pouce, de mouvement vers le satellite. Le motif dessine la faille qui s'est rompue, même là où personne ne peut l'atteindre.
7:07Les séismes se parlent
Les séismes obéissent à leurs propres règles. À chaque échelon de magnitude en moins, il y en a environ dix fois plus. Dans le monde, il y a plus de 1 000 séismes de magnitude 5 ou plus au cours d'une année typique, mais seulement environ un de magnitude 8 ou plus.
7:22Après un grand séisme viennent les répliques, et elles s'atténuent de façon régulière, une régularité que le sismologue Fusakichi Omori a mise en évidence au Japon dans les années 1890. Dix jours après le choc principal, leur fréquence n'est plus qu'environ un dixième de celle du premier jour. Cent jours après, environ un centième.
7:40La plus forte réplique a, en moyenne, une magnitude inférieure d'environ 1,2 à celle du séisme principal. Ainsi, après un séisme de magnitude 7, une forte réplique proche de la magnitude 6 n'a rien de surprenant, et les bâtiments endommagés doivent rester vides tant qu'ils n'ont pas été inspectés.
7:59Un séisme ne fait pas que libérer des contraintes. Il les déplace. Là où s'arrête la faille rompue, la contrainte sur la roche située juste au-delà augmente, et le segment suivant est poussé plus près de la rupture.
8:11La faille nord-anatolienne, en Türkiye, le montre clairement. À partir de 1939, une série de grands séismes a progressé le long de celle-ci d'est en ouest pendant 60 ans. Une étude des dix plus grands a montré que neuf d'entre eux avaient été rapprochés de la rupture par ceux qui les avaient précédés. En août 1999, cette progression a atteint Izmit, près d'Istanbul, et a accru la probabilité d'un fort séisme sous Istanbul.
8:38Les humains peuvent eux aussi débloquer des failles. En Oklahoma, l'exploitation pétrolière et gazière a injecté d'énormes volumes d'eaux usées salées profondément sous terre, augmentant la pression à l'intérieur d'anciennes failles jusqu'à ce qu'elles glissent. Les séismes de magnitude 3 ou plus sont passés d'environ deux par an à plus de 900 en 2015. Le plus fort de l'Oklahoma, de magnitude 5,8, près de Pawnee en 2016, a été ressenti dans plusieurs États.
9:07Tout cela alimente la prévision, qui donne des probabilités, jamais une date. La petite ville de Parkfield, en Californie, se trouve sur la faille de San Andreas. Entre 1857 et 1966, six séismes modérés s'y sont produits, à peu près un tous les 22 ans.
9:24En 1985, les scientifiques ont prévu le suivant avant 1993, et ont rempli la zone d'instruments pour l'enregistrer. Il est survenu en 2004, 11 ans après la fin de la période prévue. Les failles sont assez régulières pour qu'on puisse établir des prévisions, mais pas assez pour respecter un horaire.
9:43Les prévisions modernes combinent donc le cycle, les archives des tranchées et les mesures GPS de la mise en charge pour en tirer des probabilités pour chaque faille au cours des prochaines décennies. Après la flambée de l'Oklahoma, l'U.S. Geological Survey a commencé à publier aussi des prévisions à un an pour les séismes provoqués par les humains.
10:04Voir à l'intérieur de la Terre
Les mêmes ondes qui secouent le sol traversent toute la planète. La roche plus profonde subit une pression énorme, et les ondes accélèrent généralement à mesure qu'elles descendent. Leurs trajectoires se recourbent donc doucement vers la surface, comme le miroitement d'un mirage au-dessus d'une route brûlante.
10:19En 1909, un scientifique croate nommé Andrija Mohorovičić a remarqué que les ondes d'un séisme proche arrivaient en deux groupes. Certaines avaient emprunté un chemin plus rapide, à travers une roche plus profonde. Il avait trouvé la base de la croûte, une limite qui porte encore son nom : le Moho.
10:38Bien plus profond, les ondes révèlent le noyau. À plus d'un quart de tour du globe d'un séisme, les ondes S disparaissent, et elles ne reviennent jamais. Les ondes P s'estompent aussi, puis réapparaissent de l'autre côté. Les ondes S ne peuvent pas traverser un liquide. Le noyau externe est en fusion.
10:55Et cela nous ramène à Inge Lehmann. Les faibles ondes arrivées en Russie avaient traversé le noyau liquide, et avaient été déviées par quelque chose de plus rapide à l'intérieur. C'était un noyau interne, d'un rayon d'environ 1 200 kilomètres. Des travaux ultérieurs ont montré qu'il est fait de fer et de nickel solides, à peu près aussi chaud que la surface du Soleil. Les réseaux modernes cartographient l'intérieur profond de la Terre en trois dimensions, à partir de millions de ces enregistrements.
11:19Personne n'a foré au-delà d'environ 12 kilomètres de profondeur. L'essentiel de ce que nous savons de tout ce qui se trouve en dessous vient du chronométrage des ondes sismiques dans des stations du monde entier.
11:32Trois choses
Voici donc trois choses à retenir. Premièrement, une faille se charge pendant des décennies, se rompt en quelques minutes, puis se bloque à nouveau : c'est le cycle sismique. Deuxièmement, les ondes révèlent où une faille s'est rompue, comment elle a bougé et quelle était l'ampleur de la rupture, et chaque séisme transmet des contraintes au suivant. Et troisièmement, ces mêmes ondes ont cartographié l'intérieur de la planète, jusqu'à son noyau solide.
11:54Chaque séisme est un message venu de l'intérieur de la planète. Inge Lehmann en a lu un de 1929, et a découvert un monde que personne ne visitera jamais. Merci d'avoir regardé Earth Explained. Abonnez-vous pour le prochain cours, et regardez la planète en direct, jour et nuit, sur EarthWatch 24-7.