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EARTH EXPLAINED · GUIDE DE LA LEÇON

Le jour où le Japon a bougé

Le séisme et le tsunami de Tōhoku de 2011, en partant des plaques

Vidéo 9:27Niveau Niveaux 6–12 · introduction à la géologie universitaireNormes MS-ESS2-2, MS-ESS3-2, HS-ESS2-1, HS-ESS3-1, HS-PS4-1
Langue Français

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Pourquoi l'un des pays les mieux préparés de la Terre a-t-il encore tant souffert le 11 mars 2011, alors que les signes avant-coureurs étaient inscrits dans son histoire et enfouis dans son sol depuis plus de mille ans ?

Le 11 mars 2011, la plaque pacifique a glissé de jusqu'à 50 mètres sous le nord du Japon, le long de la fosse du Japon, lors d'un séisme de magnitude 9,0–9,1, le plus puissant jamais mesuré au Japon. Cette leçon suit l'événement en partant des plaques : la faille de subduction bloquée qui a accumulé de la déformation pendant des siècles, le tsunami de Jōgan de 869 dont le sable repose encore sous la plaine de Sendai, les premières minutes d'alertes, un tsunami qui est monté jusqu'à environ 40 mètres et a traversé le Pacifique, les conséquences humaines et physiques, et les changements que le Japon a apportés ensuite. Elle se termine par la fosse de Nankai, la faille que le Japon surveille désormais.

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Objectifs d'apprentissage À la fin de cette leçon, les élèves sauront :

  1. Identifier les quatre plaques qui se rencontrent au Japon et expliquer comment la subduction de la plaque pacifique au niveau de la fosse du Japon accumule de la déformation sur une faille bloquée et la libère lors de grands séismes.
  2. Expliquer comment un soulèvement soudain du plancher océanique génère un tsunami, et pourquoi un tsunami se déplace vite et avec une faible hauteur en plein océan, mais ralentit et grandit en approchant de la côte.
  3. Utiliser les archives historiques et les couches de sable de tsunami pour expliquer comment le tsunami de Jōgan de 869 a révélé le danger, et pourquoi des prévisions qui attendaient un séisme de magnitude 8 environ l'ont tout de même sous-estimé.
  4. Décrire comment l'alerte sismique précoce et les alertes au tsunami ont fonctionné le 11 mars 2011, notamment pourquoi la première estimation de magnitude, 7,9, était trop faible et comment les observations en mer ont permis de corriger les alertes.
  5. Interpréter les mesures des effets physiques de l'événement : longueur de la rupture et glissement, hauteur de remontée, déplacement GPS et affaissement de la côte, et variation calculée de la durée du jour.
  6. Évaluer ce qui a protégé la population et ce qui a échoué, à partir de la pierre à tsunami d'Aneyoshi, des exercices des écoles de Kamaishi, des digues submergées et de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi.
  7. Expliquer comment le Japon a modifié ses alertes et sa surveillance après 2011, et interpréter une probabilité à long terme comme la prévision à 30 ans pour la fosse de Nankai.

Avant de regarder

Vocabulaire clé ★ termes d'approfondissement pour les élèves plus âgés

Plaque tectonique
Un grand morceau de l'enveloppe externe rigide de la Terre, épais en général d'environ 100 km, qui se déplace lentement sur le manteau sous-jacent, plus chaud et plus mou. Le Japon se trouve là où quatre plaques se rencontrent : les plaques pacifique, philippine, nord-américaine et eurasienne.
Subduction
Le processus par lequel une plaque se courbe et s'enfonce sous une autre, pour redescendre dans le manteau. Au large du nord-est du Japon, la plaque pacifique s'enfonce sous le Japon.
Fosse océanique
La longue et profonde vallée du plancher océanique où une plaque plonge sous une autre. La fosse du Japon, où la plaque pacifique commence sa descente, est profonde d'environ 8 km.
Faille bloquée
Une partie d'une limite de plaques où le frottement maintient les deux plaques solidaires, si bien que leur mouvement est stocké sous forme de déformation élastique dans la roche, comme un ressort que l'on remonte, jusqu'à ce que la faille glisse brusquement lors d'un séisme.
Tsunami
Une série de vagues océaniques produites lorsqu'une grande masse d'eau est soudainement poussée, ici par le plancher océanique qui se soulève brusquement. La première vague n'est souvent pas la plus grande.
Magnitude
Une mesure de la taille d'un séisme. Chaque unité entière correspond à environ 32 fois plus d'énergie libérée. Le séisme de 2011 était de magnitude 9,0 selon la Japan Meteorological Agency (l'agence météorologique du Japon) et de 9,1 selon l'U.S. Geological Survey.
Dépôt de tsunami
Une couche de sable transportée vers l'intérieur des terres depuis la plage et le fond marin par un tsunami, et déposée sur le sol ou sur la vase d'un marais. Les microfossiles marins contenus dans le sable montrent qu'il vient de la mer.
Hauteur de remontée (run-up)
La hauteur au-dessus du niveau de la mer du point le plus élevé que l'eau atteint sur la terre ferme. Elle peut être bien supérieure à la hauteur de la vague au rivage, surtout au fond de baies étroites aux versants abrupts.
Alerte sismique précoce
Un système qui détecte les premières ondes sismiques, plus rapides, près de la source d'un séisme déjà en cours, et envoie une alerte avant que les secousses plus lentes et plus fortes n'arrivent plus loin. Il donne de quelques secondes à environ une minute d'avance, pas des heures.
Affaissement (subsidence)
L'enfoncement de la surface du sol. En 2011, la péninsule d'Oshika s'est affaissée d'environ 1,2 m en quelques minutes, laissant des parties de la côte définitivement plus basses et plus exposées à la mer.
Pierre à tsunami
Un monument de pierre sur la côte du Japon qui rappelle un tsunami passé et avertit les générations suivantes, comme la pierre d'Aneyoshi : ne construisez pas vos maisons en dessous de ce point.
Durée du jour
Le temps que met la Terre pour faire un tour sur elle-même, environ 86 400 secondes. Rapprocher une masse de l'axe de la Terre fait tourner la planète un peu plus vite, comme une patineuse qui ramène ses bras contre elle.
Séisme de mégachevauchement★
Un séisme sur la faille faiblement inclinée qui sépare une plaque en subduction de la plaque qui la surmonte. Tous les séismes de magnitude 9 et plus, y compris le séisme de Tōhoku de 2011, ont été des séismes de mégachevauchement.
Moment sismique★
La taille physique d'un séisme : la rigidité de la roche × la surface de la faille qui a glissé × le glissement moyen. La magnitude de moment est calculée à partir de lui.
Paléosismologie★
L'étude des séismes et des tsunamis survenus avant l'existence des instruments, à l'aide d'indices comme des couches de sable enfouies, des changements soudains du niveau du sol et des restes végétaux datés.
Base de dimensionnement★
Le plus grand aléa, comme un séisme, une inondation ou un tsunami, auquel une structure est conçue pour résister. À Fukushima Daiichi, le tsunami l'a largement dépassée.

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0:00L'instant

Le vendredi 11 mars 2011, à 2 h 46 de l'après-midi, le plancher océanique a cédé à environ 70 km au large du nord-est du Japon. Le sol a tremblé pendant plusieurs minutes et, en de nombreux endroits de la côte, les habitants ont eu environ une demi-heure avant l'arrivée de la mer.

0:34Quatre plaques

Le Japon se trouve là où se rencontrent les plaques pacifique, philippine, nord-américaine et eurasienne. La plaque pacifique avance vers le Japon d'environ 8 cm par an et s'enfonce au niveau de la fosse du Japon ; là où les plaques se bloquent, la déformation s'accumule jusqu'à ce que la faille glisse et que le plancher océanique se soulève brusquement. C'est pourquoi le Japon subit environ un séisme fort sur cinq dans le monde et compte plus d'une centaine de volcans actifs.

2:00Avertissements du passé

Le tsunami de Jōgan de 869 a inondé la plaine de Sendai et noyé environ 1 000 personnes, et à partir de 1990 environ, des géologues ont retrouvé son sable, avec des couches plus anciennes en dessous, loin à l'intérieur des terres ; pourtant, les prévisions officielles attendaient un séisme de magnitude 8 environ, et non 9. Sur la côte de Sanriku, des tsunamis en 1896 et en 1933 ont tué environ 22 000 et 3 000 personnes, et le village d'Aneyoshi a gravé un avertissement dans la pierre.

3:192:46 de l'après-midi

La rupture a commencé à environ 70 km au large de la péninsule d'Oshika, à environ 30 km de profondeur, s'est propagée sur environ 400 km le long de la fosse et a glissé jusqu'à environ 50 m. L'alerte précoce a donné environ une minute d'avance à Tokyo ; la première alerte au tsunami, émise trois minutes après le séisme, reposait sur une magnitude de 7,9 et prévoyait de 3 à 6 m, puis elle a été relevée à plus de 10 m dès que des capteurs en mer ont détecté la vraie vague.

4:38La vague

Pourquoi un tsunami traverse l'océan profond à la vitesse d'un avion à réaction et s'amoncelle près du rivage. L'eau est montée jusqu'à environ 40 m près de Miyako, a submergé les digues, a balayé l'aéroport de Sendai et a inondé plus de 500 km², tandis qu'Aneyoshi, bâti au-dessus de sa pierre, a été épargné. À Fukushima Daiichi, une vague d'environ 14 m de haut a inondé un site conçu pour environ 6 m, et trois réacteurs ont subi une fusion du cœur ; le tsunami a atteint Hawaï en environ 7 heures, la Californie en environ 10 et le Chili en environ un jour.

6:16Les suites

Plus de 18 000 personnes sont mortes ou n'ont jamais été retrouvées, la plupart par noyade, et environ 122 000 bâtiments ont été détruits ; la Banque mondiale a estimé les dégâts jusqu'à 235 milliards de dollars. Le GPS a montré que la péninsule d'Oshika s'était déplacée de 5,3 m et affaissée de 1,2 m, et un calcul de la NASA suggère que le jour a raccourci d'environ 1,8 millionième de seconde. À Kamaishi, grâce à des années d'exercices, presque tous les écoliers de la ville (près de 3 000) ont survécu.

7:22Ce que le Japon a changé

Depuis 2013, lorsqu'un séisme est trop fort pour être mesuré rapidement, la première alerte au tsunami annonce que le tsunami sera « énorme » au lieu d'avancer un chiffre au hasard. Un réseau de 150 stations sous-marines reliées par câble surveille désormais les fosses du Japon et des Kouriles, et plus de 400 km de nouvelles digues, certaines de plus de 12 m de haut, bordent la côte.

7:57Toujours en mouvement

Le Japon ressent encore environ 2 000 séismes par an. En 2025, le gouvernement a estimé la probabilité d'un grand séisme dans la fosse de Nankai dans les 30 ans à 60–90 % ou plus selon une méthode, et à 20–50 % selon une autre. Le résumé : trois choses à retenir, et la leçon de la pierre d'Aneyoshi.

Idées reçues courantes Pour l'enseignant

Idée reçueUn tsunami est un unique mur d'eau géant, aussi haut au large qu'à la côte.

Ce que montrent les donnéesEn plein océan, un tsunami ne mesure parfois qu'à peine un mètre de haut, même s'il se déplace à environ 800 km/h. Il ne grandit qu'en ralentissant en eau peu profonde, et il arrive sous la forme d'une série de vagues. En 2011, les premières faibles mesures à la côte ont conduit certaines personnes à croire que le tsunami serait mineur, et la Japan Meteorological Agency (l'agence météorologique du Japon) a plus tard modifié pour cette raison la façon dont elle annonce les premières observations.

Idée reçueLa première alerte au tsunami indique la taille de la vague : si la prévision est inférieure à la hauteur de la digue locale, on est en sécurité.

Ce que montrent les donnéesLa première prévision de 2011, de 3 à 6 m, reposait sur une estimation de magnitude de 7,9 beaucoup trop faible, et l'agence météorologique du Japon a conclu qu'elle avait pu retarder certaines évacuations. Face à des secousses fortes et longues sur la côte, la bonne réaction est de gagner immédiatement les hauteurs, quel que soit le premier chiffre annoncé.

Idée reçueLes scientifiques n'avaient aucun moyen de savoir qu'un tsunami aussi grand pouvait frapper cette côte.

Ce que montrent les donnéesLe tsunami de Jōgan de 869 était décrit dans les archives historiques du Japon, et à partir de 1990 environ, des géologues ont retrouvé son sable, ainsi que des couches plus anciennes, à plusieurs kilomètres à l'intérieur des terres sur la plaine de Sendai. Les preuves existaient ; les prévisions officielles attendaient pourtant un séisme de magnitude 8 environ, car les enregistrements instrumentaux couvraient une courte période et les travaux géologiques étaient encore en train d'être intégrés aux évaluations de l'aléa.

Idée reçueL'alerte sismique précoce prédit les séismes avant qu'ils ne se produisent.

Ce que montrent les donnéesL'alerte précoce détecte un séisme qui a déjà commencé et fait la course avec les ondes plus lentes et plus destructrices. Elle peut donner de quelques dizaines de secondes à environ une minute d'avance loin de la source, comme à Tokyo en 2011, mais les endroits les plus proches de la rupture peuvent subir de fortes secousses avant l'arrivée de toute alerte.

Idée reçueLe séisme de 2011 a fait basculer la Terre sur son axe et a sensiblement modifié la durée du jour.

Ce que montrent les donnéesSelon un calcul de la NASA, le jour a raccourci d'environ 1,8 millionième de seconde, et l'axe autour duquel la masse de la Terre est équilibrée s'est déplacé d'environ 17 cm ; l'axe de la Terre dans l'espace n'a pas bougé. Ce changement a été calculé, pas ressenti, et il est bien plus petit que les variations naturelles de la durée du jour causées par les vents, les courants océaniques et le noyau terrestre.

Questions de discussion

  1. Les géologues avaient trouvé le sable du tsunami de Jōgan sur la plaine de Sendai plus de vingt ans avant 2011, et pourtant les prévisions officielles attendaient un séisme de magnitude 8 environ. Pourquoi faut-il parfois longtemps pour que de nouvelles preuves géologiques modifient les plans officiels ? Comment une société devrait-elle agir face à des preuves solides mais pas encore certaines ?
  2. À Aneyoshi, une pierre gravée après 1933 a maintenu toutes les maisons hors de portée du tsunami de 2011. Ailleurs, des digues construites pour des tsunamis antérieurs ont été submergées. Comparez ces deux types de protection : quels sont les points forts et les points faibles d'une règle transmise par la mémoire et d'un mur construit par des ingénieurs ?
  3. Les écoliers de Kamaishi s'entraînaient depuis des années à appliquer une seule règle : après un fort séisme, courir immédiatement vers les hauteurs, sans attendre personne. Pourquoi une règle aussi simple pourrait-elle sauver plus de vies que l'attente d'une alerte officielle ? Voyez-vous des situations où elle serait difficile à suivre ?
  4. La première alerte au tsunami de 2011 donnait un chiffre qui s'est révélé bien trop bas. Depuis 2013, lorsque la taille est incertaine, la première alerte dit simplement que le tsunami sera « énorme ». Une alerte sans chiffre est-elle meilleure ou moins bonne qu'une prévision précise mais peut-être fausse ? Justifiez votre raisonnement.
  5. À Fukushima Daiichi, une vague d'environ 14 m de haut a frappé un site conçu pour environ 6 m. Comment les ingénieurs et les gouvernements devraient-ils décider de l'ampleur de l'aléa auquel une centrale nucléaire, un hôpital ou une école doit pouvoir résister, alors que les plus grands événements ne se produisent que tous les quelques siècles ou millénaires ?
  6. Pour la fosse de Nankai, le gouvernement du Japon a donné deux probabilités à 30 ans : 60–90 % ou plus selon une méthode et 20–50 % selon une autre. Que signifie chaque chiffre pour une famille, une ville et un gouvernement national ? Lequel mettriez-vous en avant dans les messages au public, et pourquoi ?

Quiz Choisissez une réponse ; la correction est automatique

1.Que se passe-t-il là où la plaque pacifique rencontre le nord du Japon, au niveau de la fosse du Japon ?

2.Pourquoi une faille de subduction produit-elle de grands séismes soudains au lieu de glisser régulièrement en permanence ?

3.Quelles preuves ont montré que des tsunamis géants avaient frappé la plaine de Sendai bien avant 2011 ?

4.Trois minutes après le séisme, la première alerte au tsunami prévoyait des vagues de 3 à 6 mètres. Pourquoi cette prévision était-elle beaucoup trop basse ?

5.En plein océan, un tsunami ne mesure parfois qu'à peine un mètre de haut, mais il se déplace à environ 800 km/h. Que se passe-t-il quand il atteint les eaux peu profondes près de la côte ?

6.Qu'est-ce qui a provoqué la catastrophe à la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi ?

7.Le GPS a montré que la péninsule d'Oshika s'était déplacée d'environ 5,3 mètres vers la mer et affaissée d'environ 1,2 mètre. Qu'est-ce que cela nous apprend ?

8.Sur les près de 3 000 écoliers de Kamaishi, presque tous ont survécu au tsunami. Qu'est-ce qui a fait la plus grande différence ?

9.Depuis 2013, si un séisme est trop fort pour être mesuré rapidement, que fait la première alerte au tsunami de l'agence météorologique du Japon ?

10.En 2025, le gouvernement du Japon a estimé la probabilité d'un grand séisme dans la fosse de Nankai dans les 30 ans à 60–90 % ou plus selon une méthode, et à 20–50 % selon une autre. Quelle interprétation est la meilleure ?

Réponse écrite

1. Expliquez, étape par étape, comment le séisme de 2011 a produit un tsunami qui a atteint la côte du Japon en une demi-heure environ et a traversé tout le Pacifique. Utilisez les termes subduction, faille bloquée, déformation, soulèvement du plancher océanique et eau peu profonde.

Ce que contient une bonne réponse

La plaque pacifique converge avec le Japon d'environ 8 cm par an et entre en subduction au niveau de la fosse du Japon. Là où les plaques se touchent, la faille est bloquée : le bord du Japon est donc entraîné vers le bas et comprimé, et une déformation élastique s'accumule. En 2011, la déformation a vaincu le frottement : la faille a glissé jusqu'à environ 50 m sur une zone d'environ 400 km de long, le bord comprimé s'est détendu brusquement et le plancher océanique s'est soulevé d'un coup, soulevant toute la colonne d'eau située au-dessus. La gravité a ramené cette eau soulevée vers le bas, envoyant des vagues dans toutes les directions. En plein océan, elles se déplaçaient à environ 800 km/h avec une hauteur d'à peine un mètre ; en eau peu profonde près de la côte, elles ont ralenti et grandi, atteignant les rivages proches en une demi-heure environ et montant jusqu'à environ 40 m par endroits. À travers le Pacifique, elles ont atteint Hawaï en environ 7 heures et le Chili en environ un jour.

2. En prenant pour exemple le tsunami de Jōgan de 869, expliquez comment la géologie peut révéler un aléa que les enregistrements instrumentaux ne montrent pas, et pourquoi le séisme de 2011 a tout de même été plus fort que ne le prévoyaient les prévisions officielles.

Ce que contient une bonne réponse

Les sismographes n'enregistrent les séismes au Japon que depuis un siècle environ, une durée bien plus courte que l'intervalle entre les plus grands événements. Les archives historiques du Japon décrivaient le tsunami de 869, qui avait inondé la plaine de Sendai et noyé environ 1 000 personnes. À partir de 1990 environ, des géologues ont retrouvé son sable, apporté de la mer, à plusieurs kilomètres à l'intérieur des terres, avec en dessous des couches de sable plus anciennes, ce qui montrait que des tsunamis géants avaient frappé à plusieurs reprises, à des siècles d'intervalle. Pourtant, les prévisions officielles reposaient surtout sur les séismes récents, mieux connus, et attendaient un événement de magnitude 8 environ. Les travaux géologiques cherchaient encore à estimer la taille du séisme de Jōgan, et leur leçon complète, à savoir qu'une section bien plus grande de la faille pouvait se rompre d'un seul coup, n'avait pas encore été intégrée aux plans de prévention lorsque le séisme de magnitude 9 a frappé.

3. Comparez trois types de protection décrits dans l'épisode : la pierre d'Aneyoshi, les exercices des écoles de Kamaishi, et les digues ainsi que la centrale de Fukushima Daiichi. Lesquels ont protégé la population, lesquels ont échoué, et pourquoi ?

Ce que contient une bonne réponse

La pierre d'Aneyoshi a fonctionné parce que sa règle ne dépendait pas d'une prévision de la taille de la prochaine vague : toutes les maisons ont été construites au-dessus d'elle, et la vague de 2011 s'est arrêtée environ 90 m en contrebas. Les exercices de Kamaishi ont fonctionné parce qu'une règle simple et pratiquée, courir immédiatement vers les hauteurs sans attendre, ne dépendait ni des alertes ni des estimations ; environ 99,8 % des élèves de la ville ont survécu. Les digues construites pour des tsunamis antérieurs, et le site de Fukushima Daiichi conçu pour une vague d'environ 6 m, ont échoué parce qu'ils étaient dimensionnés pour une hauteur fixe que le tsunami de 2011, d'environ 14 m à la centrale, a dépassée. La leçon : les défenses dimensionnées d'après les événements passés peuvent être submergées, tandis que les règles qui mettent les gens hors d'atteinte fonctionnent quelle que soit la taille de la vague ; les meilleurs plans combinent les deux.

Pour aller plus loin Université et lycée, niveau avancé

À quelle vitesse un tsunami traverse-t-il le Pacifique, et pourquoi grandit-il ?

La longueur d'onde d'un tsunami (des centaines de kilomètres) est bien plus grande que la profondeur de l'océan : il se comporte donc comme une onde en eau peu profonde, dont la vitesse ne dépend que de la profondeur d : c = √(g·d), avec g = 9,81 m/s². Quand il entre dans des eaux moins profondes, la conservation du flux d'énergie fait croître sa hauteur à peu près proportionnellement à 1 ÷ ⁴√d, l'inverse de la racine quatrième de la profondeur (loi de Green), avant qu'il ne déferle ou n'inonde les terres.

ProblèmeCalculez la vitesse pour une profondeur typique de 5 000 m, en m/s et en km/h. La distance orthodromique entre l'épicentre de 2011 et Honolulu est d'environ 5 960 km : prédisez le temps de trajet et comparez-le aux quelque sept heures de l'épisode. Estimez ensuite de combien une vague de 1 m de haut au-dessus de 4 000 m d'eau grandirait en atteignant une eau de 10 m de profondeur, et quelle serait sa vitesse à cet endroit. Pourquoi la hauteur de remontée sur terre, d'environ 40 m en 2011, peut-elle être bien plus grande encore ?

Solution détaillée

c = √(9,81 × 5 000) ≈ 221 m/s ≈ 800 km/h, la vitesse indiquée dans l'épisode. 5 960 km ÷ 800 km/h ≈ 7,5 heures, proche de l'arrivée observée d'environ sept heures (la vraie vague suit le fond marin réel, en partie plus profond que 5 000 m). Croissance : ⁴√(4 000 ÷ 10) = ⁴√400 ≈ 4,5 ; la vague de 1 m atteint donc environ 4,5 m de haut et se déplace à √(9,81 × 10) ≈ 10 m/s, soit environ 36 km/h, plus vite que la plupart des gens ne peuvent courir. La hauteur de remontée est la hauteur que l'eau atteint en montant sur la terre ferme, pas la hauteur de la vague au large : sur la côte de Sanriku, des baies étroites en forme de V canalisent l'écoulement et l'eau en mouvement emporte son élan vers le haut des pentes, si bien que la remontée y a atteint environ 40 m.

Magnitude, énergie et glissement

L'énergie rayonnée augmente d'un facteur d'environ 101.5 ≈ 32 pour chaque unité entière de magnitude. La magnitude de moment est définie à partir du moment sismique M₀ (en newtons-mètres) par M₀ = 101.5·Mw + 9.1, et M₀ = μ·A·D, où μ est la rigidité de la roche, A la surface qui a glissé et D le glissement moyen. L'USGS modélise la rupture de 2011 comme longue d'environ 400 km et large de 150 km, avec un glissement maximal de 50 à 60 m.

ProblèmeCombien de fois plus d'énergie la magnitude finale, 9,1 (USGS), représentait-elle par rapport à la première estimation de 7,9 ? Quelle importance a l'écart entre le 9,0 de la JMA et le 9,1 de l'USGS ? En prenant μ = 4 × 1010 Pa, calculez le glissement moyen pour Mw 9,0 et Mw 9,1 et comparez-le au glissement maximal.

Solution détaillée

101.5 × 1.2 = 101.8 ≈ 63 fois plus d'énergie que la première estimation, ce qui explique pourquoi la première prévision de tsunami était si basse. 101.5 × 0.1 = 100.15 ≈ 1,4 : les valeurs des deux agences diffèrent d'environ 40 % en énergie, ce qui est peu à côté de la première erreur. Pour Mw 9,0, M₀ = 1022.6 ≈ 4,0 × 1022 N·m, donc D = 4,0 × 1022 ÷ (4 × 1010 × 4 × 105 m × 1,5 × 105 m) ≈ 17 m ; pour Mw 9,1, M₀ ≈ 5,6 × 1022 N·m et D ≈ 23 m. Le glissement moyen, d'environ 17 à 23 m, est inférieur à la moitié du maximum de 50 à 60 m, qui était concentré près de la fosse, là où il a le plus soulevé le plancher océanique et provoqué le plus grand tsunami.

Combien de temps d'avance l'alerte précoce peut-elle donner ?

Les ondes P traversent la croûte à environ 6 à 7 km/s, et les ondes S, qui portent l'essentiel des fortes secousses, à environ 3,5 à 4 km/s. Un système d'alerte précoce détecte les ondes P dans des stations proches de la source, estime le séisme et envoie une alerte, qui se propage ensuite à la vitesse des communications électroniques. La rupture de 2011 a commencé à environ 30 km de profondeur ; Tokyo se trouve à environ 376 km de l'épicentre et la pointe de la péninsule d'Oshika à environ 76 km.

ProblèmeSupposez que l'alerte soit envoyée 30 secondes après le début de la rupture. Estimez de combien de temps Tokyo a disposé avant l'arrivée des premières ondes S. Estimez ensuite le rayon de la « zone aveugle », la zone où les ondes S arrivent avant l'alerte, et déterminez si la péninsule d'Oshika s'y trouvait. Pourquoi les secousses les plus fortes d'un grand séisme pourraient-elles arriver plus tard que ne le suggère ce calcul simple ?

Solution détaillée

Temps de trajet des ondes S jusqu'à Tokyo ≈ 376 km ÷ 3,5 à 4 km/s ≈ 94 à 107 s ; le temps d'avance est donc d'environ 64 à 77 s, soit environ une minute, comme dans l'épisode. En 30 s, les ondes S parcourent environ 105 à 120 km depuis l'hypocentre ; à 30 km de profondeur, cela atteint la surface jusqu'à √(105² − 30²) ≈ 100 km à √(120² − 30²) ≈ 116 km de l'épicentre. La péninsule d'Oshika, à environ 82 km de l'hypocentre, a ressenti les ondes S au bout de seulement 20 à 23 s environ, avant une telle alerte. Dans un grand séisme, la rupture elle-même continue de s'étendre pendant des minutes et émet de fortes ondes depuis des parties de la faille qui se rompent plus tard et se trouvent plus près des villes éloignées ; les temps d'avance réels dépendent donc de l'ensemble de la rupture, et pas seulement de son point de départ.

Le bilan de déformation et la récurrence des tsunamis de type Jōgan

La plaque pacifique converge avec le nord du Japon à environ 83 mm par an (USGS). Minoura et ses collègues (2001) ont trouvé trois couches de sable de tsunami sur la plaine de Sendai et ont estimé que les plus grands tsunamis frappaient environ tous les 1 000 ans ; Sawai et ses collègues (2012), à l'aide d'âges radiocarbone provenant de nombreux sites, ont suggéré des intervalles de 500 à 800 ans. Une façon simple de transformer un intervalle de récurrence T en probabilité consiste à supposer que les événements se produisent au hasard : P = 1 − exp(−t/T) pour une fenêtre de t années.

ProblèmeCombien d'années de convergence des plaques représente un glissement de 50 m ? Et un glissement moyen d'environ 20 m ? Quelle convergence s'est accumulée entre 869 et 2011 ? Calculez ensuite la probabilité d'un tsunami de type Jōgan dans les 30 ans et dans les 50 ans pour T = 1 000 ans et T = 500 ans. Que suggèrent ces chiffres sur la conception de centrales ou de villes côtières pour un événement « qui se produit une fois tous les mille ans » ?

Solution détaillée

50 m ÷ 0,083 m/an ≈ 600 ans ; 20 m ÷ 0,083 m/an ≈ 240 ans. De 869 à 2011 (1 142 ans), environ 95 m de convergence se sont accumulés, plus que le glissement de 2011 : toute la convergence n'est donc pas stockée sous forme de déformation sur la zone bloquée ; une partie est libérée par un glissement lent et silencieux et par les nombreux séismes plus petits de cette limite de plaques. Ozawa et ses collègues (2011) soulignent l'autre côté du bilan : avant 2011, le GPS montrait que la déformation s'accumulait au large du Tōhoku beaucoup plus vite que les séismes antérieurs sur la limite de plaques ne l'avaient libérée en moyenne, ce qui posait la question de savoir comment cette déformation finirait par être libérée. Probabilités : pour T = 1 000 ans, 1 − exp(−0,03) ≈ 3 % en 30 ans et 1 − exp(−0,05) ≈ 5 % en 50 ans ; pour T = 500 ans, environ 6 % et 10 %. Quelques pour cent sur la durée de vie d'une centrale électrique ou d'une ville sont loin d'être négligeables quand les conséquences sont catastrophiques ; c'est pourquoi les événements rares doivent faire partie de la conception, et non en être exclus.

Le séisme a-t-il vraiment modifié la durée du jour ?

En l'absence de couple extérieur, le moment cinétique de la Terre L = I·ω se conserve, où I est le moment d'inertie et ω la vitesse de rotation. Si un séisme rapproche légèrement de la masse de l'axe, I diminue, ω augmente et le jour T = 2π/ω raccourcit : ΔT/T = ΔI/I. Richard Gross, de la NASA, a calculé que le séisme de 2011 avait raccourci le jour d'environ 1,8 microseconde. À long terme, le frottement des marées lunaires allonge le jour ; des mesures fondées sur des éclipses anciennes montrent une augmentation moyenne d'environ 1,8 milliseconde par siècle (Stephenson et ses collègues, 2016).

ProblèmeCalculez la variation relative du moment d'inertie de la Terre qu'implique un jour plus court de 1,8 µs. Combien de jours de la tendance à l'allongement à long terme suffiraient à la compenser ? Si le changement était permanent, de combien une horloge fondée sur la rotation de la Terre avancerait-elle sur une horloge atomique en un an ?

Solution détaillée

ΔI/I = ΔT/T = −1,8 × 10−6 s ÷ 86 400 s ≈ −2,1 × 10−11. La tendance de 1,8 ms par siècle correspond à 1,8 × 10−3 s ÷ 36 525 jours ≈ 4,9 × 10−8 s par jour et par jour ; elle compenserait donc le changement en environ 1,8 × 10−6 ÷ 4,9 × 10−8 ≈ 37 jours. Sur un an, 365 × 1,8 µs ≈ 0,66 ms. L'effet est réel mais minuscule, bien plus petit que les fluctuations naturelles de la durée du jour causées par les vents, les courants océaniques et le noyau terrestre ; c'est pourquoi il a été calculé plutôt que mesuré.

Alignement sur les normes

Next Generation Science Standards (NGSS, États-Unis)

MS-ESS2-2

Construire une explication fondée sur des preuves de la manière dont les processus géoscientifiques ont modifié la surface de la Terre à différentes échelles de temps et d'espace.

Dans cet épisode : La lente convergence des plaques, d'environ 8 cm par an, face aux quelques minutes de glissement, au soulèvement du plancher océanique et à l'affaissement de la côte.

MS-ESS3-2

Analyser et interpréter des données sur les aléas naturels pour prévoir de futurs événements catastrophiques et éclairer le développement de technologies visant à atténuer leurs effets.

Dans cet épisode : Les couches de sable de tsunami et la récurrence, l'alerte précoce, les alertes au tsunami, les câbles sous-marins, les digues et la prévision pour la fosse de Nankai.

HS-ESS2-1

Élaborer un modèle illustrant comment les processus internes et de surface de la Terre opèrent à différentes échelles spatiales et temporelles pour former les reliefs continentaux et ceux du plancher océanique.

Dans cet épisode : Le modèle de zone de subduction : fosse, faille bloquée, accumulation de la déformation et rebond élastique de la plaque supérieure.

HS-ESS3-1

Construire une explication fondée sur des preuves de la manière dont la disponibilité des ressources naturelles, la survenue d'aléas naturels et les changements climatiques ont influencé l'activité humaine.

Dans cet épisode : La pierre d'Aneyoshi, les exercices de Kamaishi, la reconstruction côtière et les nouvelles digues, ainsi que l'implantation et la conception de Fukushima Daiichi.

HS-PS4-1

Utiliser des représentations mathématiques pour étayer une affirmation sur les relations entre la fréquence, la longueur d'onde et la vitesse des ondes se propageant dans divers milieux.

Dans cet épisode : La vitesse d'un tsunami, c = √(g·d), dans des eaux de différentes profondeurs, et pourquoi la vague ralentit, se raccourcit et grandit en atteignant la côte.

Advanced Placement (AP, États-Unis)

Cours universitaires

Géologie physique

Limites de plaques et microplaques autour du Japon ; zones de subduction et fosses ; le cycle sismique et le rebond élastique

Risques naturels

Séismes de mégachevauchement ; génération, propagation, amplification en eau peu profonde et remontée des tsunamis ; paléosismologie et dépôts de tsunami ; récurrence et probabilité à long terme ; systèmes d'alerte et évacuation

Géophysique

Moment sismique et magnitude de moment ; saturation de la magnitude ; alerte sismique précoce ; géodésie GPS et déplacement cosismique ; les séismes et la rotation de la Terre

Gestion des risques de catastrophe

Base de dimensionnement et événements rares en ingénierie ; communication sur les risques et formulation des alertes ; exercices collectifs et mémoire des catastrophes passées

Transcription La narration en français, comme dans les sous-titres

0:00L'instant

Le 11 mars 2011, un vendredi à 2 h 46 de l'après-midi, le plancher océanique a brusquement cédé à 70 kilomètres au large du nord-est du Japon.

0:10Le sol a tremblé pendant plusieurs minutes, et en de nombreux endroits de la côte, les habitants ont eu environ une demi-heure avant l'arrivée de la mer.

0:18Voici l'histoire du plus puissant séisme jamais mesuré au Japon. Nous verrons pourquoi il s'est produit, pourquoi les avertissements le concernant avaient déjà 1 000 ans, et ce que le Japon a changé ensuite.

0:34Quatre plaques

Pour comprendre ce jour-là, il faut commencer sous terre, car le Japon se trouve là où se rencontrent quatre des plaques tectoniques de la Terre.

0:41Ces quatre plaques sont la plaque pacifique, la plaque philippine, la plaque nord-américaine et la plaque eurasienne. Chacune est une dalle de roche d'environ 100 kilomètres d'épaisseur, qui dérive lentement à la surface de la planète.

0:54Aucune d'elles ne cesse jamais de bouger. La plaque pacifique avance lentement vers le Japon à environ 8 centimètres par an, soit à peu près deux fois plus vite que la pousse de vos ongles.

1:05Au large de la côte nord-est, la plaque pacifique rencontre le nord du Japon au niveau de la fosse du Japon, une entaille dans le plancher océanique profonde d'environ 8 kilomètres.

1:14Au niveau de la fosse, la plaque pacifique se courbe et plonge sous le Japon, s'enfonçant lentement dans le manteau chaud situé en dessous.

1:22Elle ne glisse pas en douceur, cependant. Là où les deux plaques se touchent, elles se bloquent, si bien qu'année après année, le bord du Japon est entraîné vers le bas et comprimé, comme un ressort que l'on remonte de plus en plus.

1:34Finalement, la contrainte l'emporte sur le frottement. En quelques minutes, la faille glisse, le bord comprimé de la plaque se détend brusquement, et le plancher océanique se soulève d'un coup, soulevant tout l'océan situé au-dessus.

1:47Ce processus explique pourquoi le Japon subit environ un séisme fort sur cinq dans le monde, et pourquoi le pays compte plus de 100 volcans actifs.

2:00Avertissements du passé

Le Japon possède des archives écrites sur les séismes remontant à plus de 1 000 ans, et l'une d'elles décrit une nuit de l'an 869.

2:09Cette nuit-là, un grand séisme a frappé près de l'actuelle ville de Sendai, et la mer s'est engouffrée loin à l'intérieur des terres à travers la plaine côtière. Environ 1 000 personnes se sont noyées.

2:19À partir de 1990 environ, des géologues qui creusaient dans cette même plaine ont trouvé la signature de ce tsunami. C'était une couche de sable marin, à des kilomètres de la côte, sous laquelle se trouvaient des couches de sable plus anciennes, laissées par des vagues géantes encore antérieures.

2:35Ces indices montraient que des tsunamis géants avaient frappé cette côte à maintes reprises, à des siècles d'intervalle. Les prévisions officielles prévoyaient bien un fort séisme ici, mais d'une magnitude d'environ 8, et non de neuf.

2:49Plus au nord, sur la côte escarpée de Sanriku, les souvenirs étaient plus récents. En 1896, un tsunami y est monté jusqu'à 38 mètres de hauteur et a tué environ 22 000 personnes.

3:02En 1933, un autre tsunami a tué environ 3 000 personnes de plus. Par la suite, les habitants d'un petit village appelé Aneyoshi ont gravé un avertissement dans la pierre.

3:12L'inscription dit : Ne construisez pas vos maisons en dessous de ce point.

3:192:46 de l'après-midi

Le 11 mars 2011, à 2 h 46 de l'après-midi, la faille a fini par céder. La rupture a commencé à environ 70 kilomètres au large de la péninsule d'Oshika, à environ 30 kilomètres de profondeur.

3:32De là, elle s'est propagée le long de la fosse sur environ 400 kilomètres, et par endroits, les deux plaques ont glissé jusqu'à 50 mètres l'une par rapport à l'autre.

3:41Le système d'alerte sismique précoce du Japon a rempli sa mission principale. Ses capteurs ont détecté les premières ondes, plus rapides, et des alertes ont été diffusées avant l'arrivée des plus fortes secousses.

3:53Tokyo, à environ 370 kilomètres de là, a reçu l'alerte environ une minute à l'avance, même si celle-ci sous-estimait fortement les secousses sur place.

4:02Trois minutes après le séisme, l'agence météorologique du Japon a émis son plus haut niveau d'alerte au tsunami. Cependant, la première estimation de la taille du séisme était bien trop faible, avec une magnitude de 7,9, si bien que les premières prévisions de vagues étaient elles aussi trop basses, de 3 à 6 mètres.

4:21Puis des capteurs en mer ont détecté la véritable vague, et les alertes ont été relevées à plus de 10 mètres. La magnitude finale était de 9 selon le Japon, et de 9,1 selon l'U.S. Geological Survey.

4:38La vague

En plein océan, un tsunami se déplace à peu près aussi vite qu'un avion à réaction, à environ 800 kilomètres à l'heure, même s'il ne mesure parfois qu'à peine un mètre de haut.

4:50À mesure que l'eau devient moins profonde près de la côte, la vague ralentit, et comme l'eau qui la suit continue d'arriver, elle n'a d'autre issue que de monter.

4:59Ce tsunami s'est propagé dans toutes les directions, à travers tout le Pacifique.

5:04Près de Miyako, l'eau est montée sur une colline jusqu'à 40 mètres au-dessus du niveau de la mer, et les digues construites pour les tsunamis précédents ont tout simplement été submergées.

5:14Des navires ont été emportés loin à l'intérieur des terres. Ce ferry, à Miyako, s'est retrouvé échoué au milieu des maisons.

5:21Sur la plaine de Sendai, le terrain même qui avait été inondé en 869, la mer a balayé l'aéroport de Sendai et a continué sur des kilomètres à l'intérieur des terres.

5:30Au total, plus de 500 kilomètres carrés du Japon ont été submergés, et des villes de pêcheurs entières ont été détruites le long de la côte.

5:39À Aneyoshi, la vague s'est arrêtée environ 90 mètres en contrebas de la vieille pierre. Toutes les maisons du village avaient été construites au-dessus, et toutes ont été épargnées.

5:49À la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi, une vague d'environ 14 mètres de haut a inondé un site conçu pour environ six. La centrale a perdu son alimentation électrique, trois réacteurs ont subi une fusion du cœur, et c'est devenu le pire accident nucléaire depuis Tchernobyl.

6:04Pendant ce temps, le tsunami poursuivait sa route. Il a atteint Hawaï environ sept heures plus tard et la Californie environ dix heures après, détruisant des bateaux dans leurs ports, et environ un jour après le séisme, il a atteint le Chili.

6:16Les suites

Plus de 18 000 personnes sont mortes ou n'ont jamais été retrouvées, la plupart par noyade, et plus de 120 000 bâtiments ont été détruits.

6:25La Banque mondiale a estimé les dégâts jusqu'à 235 milliards de dollars, ce qui en faisait à l'époque la catastrophe naturelle la plus coûteuse jamais enregistrée.

6:36Le séisme a même remodelé la terre elle-même. La péninsule d'Oshika s'est déplacée de plus de 5 mètres vers la mer et s'est enfoncée de plus d'un mètre.

6:46Il a également déplacé une telle part de la masse de la Terre que, selon un calcul de la NASA, la planète tourne désormais très légèrement plus vite. Chaque journée a raccourci d'environ 1,8 millionième de seconde, bien trop peu pour que quiconque s'en aperçoive.

7:01Il y a aussi des histoires de survie. Dans la ville de Kamaishi, les écoliers s'entraînaient depuis des années à appliquer une règle simple : après un fort séisme, courir immédiatement vers les hauteurs, sans attendre personne.

7:14Sur les près de 3 000 élèves de la ville, presque tous ont survécu.

7:22Ce que le Japon a changé

Le Japon a reconstruit son système d'alerte aux tsunamis. Désormais, lorsqu'un séisme est trop puissant pour être mesuré rapidement, la première alerte ne tente plus d'avancer un chiffre. Elle indique simplement aux gens que le tsunami sera énorme.

7:35Le long des fosses du Japon et des Kouriles, 150 stations sous-marines guettent désormais les séismes et les tsunamis, reliées à la terre ferme par environ 5 500 kilomètres de câble.

7:47Plus de 400 kilomètres de nouvelles digues bordent désormais la côte, et certaines dépassent 12 mètres de haut.

7:57Toujours en mouvement

Les plaques n'ont pas cessé de bouger. Au cours d'une année typique, le Japon ressent environ 2 000 séismes, soit cinq à six par jour. La plupart sont si faibles que seules les personnes immobiles à l'intérieur les remarquent, mais chacun d'eux est le signe que ces mêmes plaques sont toujours en mouvement.

8:13Les scientifiques surveillent aussi une autre faille, la fosse de Nankai, au large du sud-ouest du Japon. En 2025, le gouvernement du Japon a estimé la probabilité d'un grand séisme à cet endroit dans les 30 ans. Selon une méthode, elle est de 60 à 90 % ou plus ; selon une autre, de 20 à 50 %.

8:32Voici donc trois choses à retenir. Premièrement, le séisme de 2011 s'est produit lorsque la plaque pacifique a glissé de 50 mètres au maximum sous le nord du Japon, au niveau de la fosse du Japon. Cela en a fait un séisme de magnitude 9, le plus puissant jamais mesuré au Japon. Deuxièmement, c'est le tsunami qui a causé l'essentiel des dégâts : il est monté jusqu'à 40 mètres de hauteur, et plus de 18 000 personnes sont mortes ou n'ont jamais été retrouvées. Et troisièmement, les avertissements existaient déjà, dans l'inondation de 869 et dans des pierres comme celle d'Aneyoshi.

9:05La pierre d'Aneyoshi est toujours debout, et son message est la leçon de toute cette histoire. La Terre tient son propre calendrier, et elle se souvient de ce que nous oublions. Merci d'avoir regardé Earth Explained. Abonnez-vous pour la prochaine histoire, et regardez la planète en direct, à toute heure, sur EarthWatch 24-7.

Sources

  1. U.S. Geological Survey. M 9.1 – 2011 Great Tohoku Earthquake, Japan. Earthquake Hazards Program event page, with tectonic summary. earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/official20110311054624120_30/executiveUtilisée pour : Magnitude 9,1, localisation et profondeur, mouvement des plaques de 83 mm par an, taille de la rupture et glissement
  2. Japan Meteorological Agency. (2013). Lessons learned from the tsunami disaster caused by the 2011 Great East Japan Earthquake and improvements in JMA's tsunami warning system. www.data.jma.go.jp/eqev/data/en/tsunami/LessonsLearned_Improvements_brochure.pdfUtilisée pour : La première alerte à 14 h 49 (M7,9, de 3 à 6 m), les relèvements à plus de 10 m, la magnitude finale de 9,0 et les alertes « énorme » de 2013
  3. National Police Agency of Japan. (2021). Police countermeasures and damage situation associated with 2011 Tohoku district – off the Pacific Ocean Earthquake (March 10, 2021). www.npa.go.jp/news/other/earthquake2011/pdf/higaijokyo_e.pdfUtilisée pour : Morts, disparus et bâtiments détruits
  4. Ozawa, S., Nishimura, T., Suito, H., Kobayashi, T., Tobita, M., & Imakiire, T. (2011). Coseismic and postseismic slip of the 2011 magnitude-9 Tohoku-Oki earthquake. Nature, 475, 373–376. doi.org/10.1038/nature10227Utilisée pour : Mesures GPS (GEONET) du déplacement du sol, et glissement sur la faille sur environ 400 km le long de la fosse
  5. The 2011 Tohoku Earthquake Tsunami Joint Survey Group. 現地調査結果 (Field survey results). In Japanese. coastal.jp/ttjt/index.php?%E7%8F%BE%E5%9C%B0%E8%AA%BF%E6%9F%BB%E7%B5%90%E6%9E%9CUtilisée pour : Hauteurs du tsunami et remontée d'environ 40 m
  6. Minoura, K., Imamura, F., Sugawara, D., Kono, Y., & Iwashita, T. (2001). The 869 Jōgan tsunami deposit and recurrence interval of large-scale tsunami on the Pacific coast of northeast Japan. Journal of Natural Disaster Science, 23(2), 83–88. www.jsnds.org/jnds/23_2_3.pdfUtilisée pour : Le tsunami de Jōgan, son sable à environ 3 à 4 km à l'intérieur des terres, environ 1 000 morts et une récurrence d'environ 1 000 ans
  7. Sawai, Y., Namegaya, Y., Okamura, Y., Satake, K., & Shishikura, M. (2012). Challenges of anticipating the 2011 Tohoku earthquake and tsunami using coastal geology. Geophysical Research Letters, 39, L21309. doi.org/10.1029/2012GL053692Utilisée pour : Les dépôts de Jōgan le long de la côte, leur récurrence et pourquoi ces indices n'ont pas permis d'anticiper une magnitude 9
  8. Fackler, M. (2011, April 20). Tsunami warnings, written in stone. The New York Times (reprinted by NBC News). www.nbcnews.com/id/wbna42688590Utilisée pour : La pierre d'Aneyoshi et l'endroit où la vague de 2011 s'est arrêtée
  9. International Atomic Energy Agency. (2015). The Fukushima Daiichi Accident: Report by the Director General. IAEA, Vienna. www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1710-ReportByTheDG-Web.pdfUtilisée pour : La vague de 14 à 15 m, les hypothèses de conception de la centrale et la perte de l'alimentation électrique et du refroidissement
  10. NASA Jet Propulsion Laboratory. (2011, March 14). Japan quake may have shortened Earth days, moved axis. News release (Richard Gross), as reprinted by Geology.com. geology.com/nasa/japan-earthquakeUtilisée pour : La variation de 1,8 microseconde de la durée du jour et le déplacement de 17 cm de l'axe de figure
  11. Stephenson, F. R., Morrison, L. V., & Hohenkerk, C. Y. (2016). Measurement of the Earth's rotation: 720 BC to AD 2015. Proceedings of the Royal Society A, 472, 20160404. doi.org/10.1098/rspa.2016.0404Utilisée pour : L'allongement à long terme du jour, d'environ 1,8 ms par siècle
  12. Japan Science and Technology Agency. Educational activities for disaster prevention backed by scientific evidence behind a 'miracle' (Toshitaka Katada, Kamaishi). www.jst.go.jp/EN/achievements/research/toshitaka_katada2016.htmlUtilisée pour : Kamaishi : 99,8 % des quelque 3 000 élèves ont survécu
  13. Cabinet Office, Government of Japan. (2013). 平成25年版 防災白書 (White Paper on Disaster Management 2013), Part 1, Introduction. In Japanese. www.bousai.go.jp/kaigirep/hakusho/h25/honbun/1b_0s_01_00.htmUtilisée pour : Environ 20 % des séismes de magnitude 6 et plus dans le monde se produisent autour du Japon
  14. Headquarters for Earthquake Research Promotion, Earthquake Research Committee. (2025). 南海トラフの地震活動の長期評価（第二版一部改訂） (Long-term evaluation of the Nankai Trough, second edition, partial revision). In Japanese. jishin.go.jp/evaluation/long_term_evaluation/subduction_fault/summary_nankaiUtilisée pour : Les probabilités à 30 ans de 60–90 % ou plus et de 20–50 %

Images de l'épisode : USGS, NOAA et NASA (domaine public), avec des cartes NASA/USGS Landsat via NASA GIBS ; animations d'EarthWatch 24-7. Crédits complets : earthwatch247.com/credits.html.

Citer cette leçon

EarthWatch 24-7. (2026). Le jour où le Japon a bougé: Le séisme et le tsunami de Tōhoku de 2011, en partant des plaques [Leçon vidéo]. Earth Explained, épisode 1. https://earthwatch247.com/learn/japan-2011/fr/

Corrigé

  1. C. C'est la subduction : la plaque pacifique, qui avance vers le Japon d'environ 8 cm par an, plonge au niveau de la fosse du Japon et s'enfonce sous le Japon.
  2. A. Les plaques continuent de converger, mais le contact bloqué entraîne et comprime le bord du Japon comme un ressort que l'on remonte. Quand la déformation vainc le frottement, la faille glisse et le bord comprimé se détend brusquement.
  3. D. Les archives historiques du Japon décrivent le tsunami de 869, et des géologues qui ont creusé à partir de 1990 environ ont retrouvé son sable loin à l'intérieur des terres, avec en dessous des couches de sable plus anciennes laissées par des vagues géantes antérieures.
  4. B. La méthode rapide de calcul de la magnitude sous-estime les très grands séismes, si bien que la première estimation était de 7,9 au lieu de 9,0. Dès que des capteurs en mer ont détecté la vraie vague, les alertes ont été relevées à plus de 10 mètres.
  5. A. La vitesse d'un tsunami dépend de la profondeur de l'eau. Quand l'avant de la vague ralentit en eau peu profonde, l'eau qui suit le rattrape et n'a d'autre issue que de monter.
  6. C. L'inondation a privé la centrale d'électricité, ce qu'on appelle une perte totale des alimentations électriques, si bien que les réacteurs ne pouvaient plus être refroidis. C'est devenu le pire accident nucléaire depuis Tchernobyl.
  7. B. La faille bloquée avait entraîné la côte vers l'intérieur des terres et vers le bas ; quand elle a glissé, la plaque supérieure a rebondi vers la fosse, et la côte proche de la rupture s'est affaissée.
  8. D. La règle était simple et pratiquée depuis des années : après un fort séisme, courir immédiatement vers les hauteurs et ne pas attendre. Environ 99,8 % des élèves de la ville ont survécu.
  9. C. Le Japon a modifié ses alertes pour qu'un premier chiffre sous-estimé ne puisse plus faire croire aux gens qu'ils sont en sécurité. Les chiffres sont ajoutés une fois la taille du séisme connue.
  10. A. Une probabilité n'est ni une date ni une certitude. Les deux valeurs sont élevées pour une fenêtre de 30 ans, et le gouvernement demande à la population et aux autorités locales de se préparer en gardant à l'esprit la plus élevée.

Réponse écrite

  1. La plaque pacifique converge avec le Japon d'environ 8 cm par an et entre en subduction au niveau de la fosse du Japon. Là où les plaques se touchent, la faille est bloquée : le bord du Japon est donc entraîné vers le bas et comprimé, et une déformation élastique s'accumule. En 2011, la déformation a vaincu le frottement : la faille a glissé jusqu'à environ 50 m sur une zone d'environ 400 km de long, le bord comprimé s'est détendu brusquement et le plancher océanique s'est soulevé d'un coup, soulevant toute la colonne d'eau située au-dessus. La gravité a ramené cette eau soulevée vers le bas, envoyant des vagues dans toutes les directions. En plein océan, elles se déplaçaient à environ 800 km/h avec une hauteur d'à peine un mètre ; en eau peu profonde près de la côte, elles ont ralenti et grandi, atteignant les rivages proches en une demi-heure environ et montant jusqu'à environ 40 m par endroits. À travers le Pacifique, elles ont atteint Hawaï en environ 7 heures et le Chili en environ un jour.
  2. Les sismographes n'enregistrent les séismes au Japon que depuis un siècle environ, une durée bien plus courte que l'intervalle entre les plus grands événements. Les archives historiques du Japon décrivaient le tsunami de 869, qui avait inondé la plaine de Sendai et noyé environ 1 000 personnes. À partir de 1990 environ, des géologues ont retrouvé son sable, apporté de la mer, à plusieurs kilomètres à l'intérieur des terres, avec en dessous des couches de sable plus anciennes, ce qui montrait que des tsunamis géants avaient frappé à plusieurs reprises, à des siècles d'intervalle. Pourtant, les prévisions officielles reposaient surtout sur les séismes récents, mieux connus, et attendaient un événement de magnitude 8 environ. Les travaux géologiques cherchaient encore à estimer la taille du séisme de Jōgan, et leur leçon complète, à savoir qu'une section bien plus grande de la faille pouvait se rompre d'un seul coup, n'avait pas encore été intégrée aux plans de prévention lorsque le séisme de magnitude 9 a frappé.
  3. La pierre d'Aneyoshi a fonctionné parce que sa règle ne dépendait pas d'une prévision de la taille de la prochaine vague : toutes les maisons ont été construites au-dessus d'elle, et la vague de 2011 s'est arrêtée environ 90 m en contrebas. Les exercices de Kamaishi ont fonctionné parce qu'une règle simple et pratiquée, courir immédiatement vers les hauteurs sans attendre, ne dépendait ni des alertes ni des estimations ; environ 99,8 % des élèves de la ville ont survécu. Les digues construites pour des tsunamis antérieurs, et le site de Fukushima Daiichi conçu pour une vague d'environ 6 m, ont échoué parce qu'ils étaient dimensionnés pour une hauteur fixe que le tsunami de 2011, d'environ 14 m à la centrale, a dépassée. La leçon : les défenses dimensionnées d'après les événements passés peuvent être submergées, tandis que les règles qui mettent les gens hors d'atteinte fonctionnent quelle que soit la taille de la vague ; les meilleurs plans combinent les deux.

Pour aller plus loin

  1. À quelle vitesse un tsunami traverse-t-il le Pacifique, et pourquoi grandit-il ?: c = √(9,81 × 5 000) ≈ 221 m/s ≈ 800 km/h, la vitesse indiquée dans l'épisode. 5 960 km ÷ 800 km/h ≈ 7,5 heures, proche de l'arrivée observée d'environ sept heures (la vraie vague suit le fond marin réel, en partie plus profond que 5 000 m). Croissance : ⁴√(4 000 ÷ 10) = ⁴√400 ≈ 4,5 ; la vague de 1 m atteint donc environ 4,5 m de haut et se déplace à √(9,81 × 10) ≈ 10 m/s, soit environ 36 km/h, plus vite que la plupart des gens ne peuvent courir. La hauteur de remontée est la hauteur que l'eau atteint en montant sur la terre ferme, pas la hauteur de la vague au large : sur la côte de Sanriku, des baies étroites en forme de V canalisent l'écoulement et l'eau en mouvement emporte son élan vers le haut des pentes, si bien que la remontée y a atteint environ 40 m.
  2. Magnitude, énergie et glissement: 101.5 × 1.2 = 101.8 ≈ 63 fois plus d'énergie que la première estimation, ce qui explique pourquoi la première prévision de tsunami était si basse. 101.5 × 0.1 = 100.15 ≈ 1,4 : les valeurs des deux agences diffèrent d'environ 40 % en énergie, ce qui est peu à côté de la première erreur. Pour Mw 9,0, M₀ = 1022.6 ≈ 4,0 × 1022 N·m, donc D = 4,0 × 1022 ÷ (4 × 1010 × 4 × 105 m × 1,5 × 105 m) ≈ 17 m ; pour Mw 9,1, M₀ ≈ 5,6 × 1022 N·m et D ≈ 23 m. Le glissement moyen, d'environ 17 à 23 m, est inférieur à la moitié du maximum de 50 à 60 m, qui était concentré près de la fosse, là où il a le plus soulevé le plancher océanique et provoqué le plus grand tsunami.
  3. Combien de temps d'avance l'alerte précoce peut-elle donner ?: Temps de trajet des ondes S jusqu'à Tokyo ≈ 376 km ÷ 3,5 à 4 km/s ≈ 94 à 107 s ; le temps d'avance est donc d'environ 64 à 77 s, soit environ une minute, comme dans l'épisode. En 30 s, les ondes S parcourent environ 105 à 120 km depuis l'hypocentre ; à 30 km de profondeur, cela atteint la surface jusqu'à √(105² − 30²) ≈ 100 km à √(120² − 30²) ≈ 116 km de l'épicentre. La péninsule d'Oshika, à environ 82 km de l'hypocentre, a ressenti les ondes S au bout de seulement 20 à 23 s environ, avant une telle alerte. Dans un grand séisme, la rupture elle-même continue de s'étendre pendant des minutes et émet de fortes ondes depuis des parties de la faille qui se rompent plus tard et se trouvent plus près des villes éloignées ; les temps d'avance réels dépendent donc de l'ensemble de la rupture, et pas seulement de son point de départ.
  4. Le bilan de déformation et la récurrence des tsunamis de type Jōgan: 50 m ÷ 0,083 m/an ≈ 600 ans ; 20 m ÷ 0,083 m/an ≈ 240 ans. De 869 à 2011 (1 142 ans), environ 95 m de convergence se sont accumulés, plus que le glissement de 2011 : toute la convergence n'est donc pas stockée sous forme de déformation sur la zone bloquée ; une partie est libérée par un glissement lent et silencieux et par les nombreux séismes plus petits de cette limite de plaques. Ozawa et ses collègues (2011) soulignent l'autre côté du bilan : avant 2011, le GPS montrait que la déformation s'accumulait au large du Tōhoku beaucoup plus vite que les séismes antérieurs sur la limite de plaques ne l'avaient libérée en moyenne, ce qui posait la question de savoir comment cette déformation finirait par être libérée. Probabilités : pour T = 1 000 ans, 1 − exp(−0,03) ≈ 3 % en 30 ans et 1 − exp(−0,05) ≈ 5 % en 50 ans ; pour T = 500 ans, environ 6 % et 10 %. Quelques pour cent sur la durée de vie d'une centrale électrique ou d'une ville sont loin d'être négligeables quand les conséquences sont catastrophiques ; c'est pourquoi les événements rares doivent faire partie de la conception, et non en être exclus.
  5. Le séisme a-t-il vraiment modifié la durée du jour ?: ΔI/I = ΔT/T = −1,8 × 10−6 s ÷ 86 400 s ≈ −2,1 × 10−11. La tendance de 1,8 ms par siècle correspond à 1,8 × 10−3 s ÷ 36 525 jours ≈ 4,9 × 10−8 s par jour et par jour ; elle compenserait donc le changement en environ 1,8 × 10−6 ÷ 4,9 × 10−8 ≈ 37 jours. Sur un an, 365 × 1,8 µs ≈ 0,66 ms. L'effet est réel mais minuscule, bien plus petit que les fluctuations naturelles de la durée du jour causées par les vents, les courants océaniques et le noyau terrestre ; c'est pourquoi il a été calculé plutôt que mesuré.