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Grâce aux mesures satellitaires du champ de gravité, des chercheurs français observent les mouvements profonds au sein de notre planète, et proposent donc un meilleur suivi de la déformation précédant les séismes géants des zones de subduction comme celui de Tohoku au Japon en 2011. Réalisée en collaboration entre l'Institut National de l'Information Géographique et Forestière et l'Institut de Physique du Globe de Paris, et Géosciences Environnement Toulouse, cette étude est publiée le 9 avril dans la revue Nature Geoscience.
Les séismes géants, comme celui au large de Tohoku, au Japon, en 2011, sont une manifestation extrême de la tectonique des plaques. Ils se produisent le plus souvent dans les zones de subduction, lorsqu'une plaque océanique rencontre une plaque continentale et plonge dans le manteau terrestre. Le long de certaines portions, le mouvement de la plaque plongeante déforme la plaque continentale de manière continue durant toute la période inter-sismique. Ces déformations sont mesurées très finement par des mesures géodésiques de surface. Mais de telles mesures ne permettent malheureusement pas de suivre les déformations profondes au sein du manteau, ni de prédire avec suffisamment de précision la taille des séismes et le moment où ils se produisent.
Figure 1: La zone de subduction japonaise. Les frontières de plaques sont indiquées en lignes orange.
L'observation satellitaire offre de nouvelles perspectives. Grâce aux mesures de gravimétrie obtenues par les satellites GRACE, une image plus complète des mouvements des plaques à proximité des zones de subduction peut être obtenue. En effet ces mesures du champ de gravité permettent de détecter les redistributions de masses en profondeur, liées à ces mouvements tectoniques. Les variations du champ de gravité sont cartographiées chaque mois avec une couverture spatiale homogène jusqu'à 400 km de résolution. Elles offrent une information sans équivalent pour détecter, à des échelles spatiales et temporelles intermédiaires, les mouvements profonds au sein de notre planète.
Figure 2: Séquence spatio-temporelle des signaux gravimétriques régionaux associés au séisme de Tohoku (exprimés en gradients de gravité, voir encart du bas). Les variations de gravité démarrent dans les mois précédant la rupture, et se propagent d'ouest en est tout autour des frontières de plaques, c'est-à-dire du côté profond de la zone de subduction vers la surface et l'intérieur de deux plaques océaniques. Géométrie de la plaque Pacifique subduite: Hayes et al. (2012).
L'analyse des données satellitaires du champ de gravité a permis à une équipe de chercheurs français de mettre en évidence et replacer dans un scénario global la séquence de transferts de masses associés au séisme géant de Tohoku (Mw 9.0, 11 mars 2011), et notamment de démontrer qu'ils étaient initiés en profondeur quelques mois avant la rupture. En plus des variations de gravité extrêmes concentrées au voisinage de l'épicentre, ils ont détecté des changements précurseurs dans la gravité terrestre sur plus de 2000 km tout le long de la subduction des plaques Pacifique et Philippine sous la plaque Eurasienne. Ces signaux nous montrent que la rupture géante fait partie d'une déformation à l'échelle régionale, qui migre de la profondeur vers la surface à travers tout le système de subduction, sur des périodes de quelques mois à quelques années. Les anomalies précédant la rupture reflètent probablement un étirement de la plaque Pacifique vers 250 km de profondeur à mesure qu'elle plonge dans le manteau. La dimension spatiale des mouvements précurseurs trouve écho dans les variations de gravité co- et post-sismiques, qui suggèrent une augmentation de la vitesse de deux plaques océaniques, Pacifique et Philippine, après la rupture, sur une section de 2000-km le long des frontières de plaques.
Ces résultats démontrent le potentiel de la gravimétrie satellitaire pour étudier l'aléa sismique dans le contexte des processus de subduction. Ils fournissent des informations uniques sur des périodes de l'ordre du mois à des échelles régionales (entre 500 et 2000 km). Il est maintenant nécessaire de chercher si de telles variations de gravité existent également avant les autres séismes géants qui se sont produits depuis le lancement de GRACE, ouvrant alors des perspectives nouvelles dans la détection de précurseurs des ruptures géantes.
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