Sous l'impact d'un séisme majeur les zones volcaniques réagissent plus que prévu

Parce que le temps de la médiation n'est pas celui des médias, je publie enfin un billet sur ce sujet, qui a fait un peu de buzz cette semaine après le communiqué de presse du CNRS sortit la semaine dernière: l'impact du séisme de Tohoku-Oki sur les zones volcaniques japonaises.


Le contexte

Le graal de la Volcanologie, qui motive la budgétisation de nombreux projets partout dans le monde, est bien sûr la prévention du risque lié aux phénomènes volcaniques.

Dans cette course, l'anticipation est un élément clé:
- anticiper la trajectoire d'un écoulement pyroclastique ou d'une coulée de lave
- anticiper au mieux la zone de départ d'une éruption (plutôt flanc nord? plutôt sommet? )
etc.

Dans cette course à l'anticipation, savoir dans quel état est la structure interne d'un édifice volcanique alors même qu'il ne présente pas de signe extérieur de réveil est déjà un graal en soi, une
donnée stratégique.

Une équipe internationale de géophysiciens, emmenée par le Français Florent Brenguier, à publié la semaine dernière dans la revue Science un article dans lequel ils présentent les résultats de l'analyse de plus de 70 téraoctets (70 000 milliards d'octets) de données sismiques en provenance du Japon, données enregistrées depuis 2008.
Ils n'ont pas utilisé n'importe quel réseau de sismomètres mais le japonais Hi-Net (High Sensitive Seismograph Network de son nom complet) qui compte pas moins de 800 appareils répartis partout sur le territoire nippon: c'est le plus dense au monde.

Et, contre toute attente, ces analyses leur ont permis de faire un pas vers cette donnée stratégique.

Localisation des stations du réseau HiNet, le plus dense au monde. Image: Culture Volcan

Le principe de base est le suivant: l'analyse des ondes sismiques permet de retracer leur trajectoire à l'intérieur de la croûte terrestre et, à la manière d'une radiographie, de détecter les anomalies qui s'y trouvent.

Ces anomalies sont généralement trahies par des déviations dans la trajectoire des ondes, associées à un changement de leur vitesse de propagation. Ladite vitesse dépend de la nature des roches traversées:
- leur état physique: solide rigide, solide plastique, liquide, etc.
- leur densité, plus ou moins forte selon le type de roche traversée
- leur résistance à la déformation
- la présence d'éléments perturbateurs, comme des filons remplis de magma, ou d'autres fluides par exemple.

Analyser les ondes sismiques reçues par plusieurs capteurs permet donc, par la comparaison de l'ensemble, de se former une sorte d'"image en 3D" de la structure interne d'un édifice volcanique, et du sous-sol sur lequel il repose (les séismes ont été utilisés pour faire l'image du noyau terrestre, donc on peut descendre jusqu'au point le plus bas du globe).

De longue date ce sont les séismes tectoniques (issus des mouvements de failles) qui sont utilisés pour créer ces "images". Leur inconvénient être d'être aléatoires et que, pour simplifier, il faut attendre qu'une secousse assez forte veuille avoir la gentillesse de se déclencher pour pouvoir faire une image.
Depuis 2003 les géophysiciens ont commencé à utiliser une autre source: les vibrations du sol produites par la houle, qui fait partie du "bruit de fond sismique". Auparavant éliminé par filtrage, ce bruit peut maintenant être exploité, avec un avantage extraordinaire: les secousses ne s'arrêtent jamais et du coup c'est un peu comme si on pouvait observer le sous-sol et ses changements en streaming!!!

Grosso modo: utiliser les secousses tectoniques pour comprendre la structuration du sous-sol, c'est un peu comme tenter de comprendre le Silmarillon avec seulement 1 page sur 10 du livre, alors qu'avec la houle, on a presque toutes les pages...

 

Ah non, mauvais exemple: même avec toutes les pages, on peut pas comprendre le bouquin...

Bref, après quelques années d'optimisation de cette technique, appelée "Tomographie par Bruit Ambiant",elle a notamment été appliquée, en prime s'il vous plait, en 2008 sur le Piton de la Fournaise, justement par une équipe composée entre autres de Florent Brenguier. Elle avait alors permis de retrouver des signes précurseurs de la très importante éruption de 2007.


Pour l'équipe de Florent Brenguier l'objectif était d'utiliser les données sismiques du Hi-Net pour faire une image du sous-sol "avant-après" le séisme de Tokohu (2011) qui avait été, vous vous en souvenez forcément, d'une extrême puissance (magnitude supérieure à 9) et avait provoqué la catastrophe de Fukushima, via un tsunami.

Au départ ce qui intéresse ces chercheurs c'est de tenter de quantifier l'impact de ce séisme sur la croûte terrestre au niveau du Japon. Ils voulaient notamment essayer de localiser les nouvelles zones où les contraintes sont les plus fortes car c'est là que, statistiquement, une secousse importante a le plus de chance de se produire dans un temps relativement court.
Toujours l'anticipation, mais cette fois du risque sismique.

Cependant l'un des résultats de l'étude, totalement inattendu, indique que les changements les plus importants ne se sont pas produits au niveau des failles, mais dans les zones volcaniques actives de l'archipel. Ce fut en fait une double surprise puisque le changement le plus fort s'est produit au niveau du Fuji, c'est-à dire le volcan le plus éloigné de la source du séisme du Tohuku, sur la zone cartographiée.

Mais de quels changements s'agit-il?

La "Tomographie par Bruit Ambiant" (TBA, plus facile pour moi par la suite) est un outils qui permet de reconstituer la manière dont la vitesse de propagation des ondes sismiques varie tout au long de leur trajectoire dans la croûte.
Cette vitesse dépend de la capacité des roches à résister à la déformation: plus une roche résiste plus la vitesse est élevée. Or une onde sismique n'est rien d'autre qu'une déformation temporaire des roches: certaines ondes sont des successions de compression-etirement, d'autres au contraire cisaillent les roches de gauche à droite ou de haut en bas.

Les différents types d'ondes sismiques: elle se différencient par la manière dont elles déforment les roches qu'elles traversent. Image: P.R.Ris.M.E.S 66

Les géophysiciens ont tout d'abords extrait les données produites par le Hi-Net pendant les 5 jours précédents le Tohoku, en utilisant la TBA, pour avoir un "état initial" de la croûte, c'est-à-dire un profil de vitesses de référence des ondes sismiques produites par la houle (c'est la carte toute violette ci-dessous).
Puis, dans un second temps, ils ont extrait des données de ce même réseau les profils de vitesses mesurés après le séisme et les ont comparé à leur référence: ils ont obtenu la carte multicolore ci-dessous.

Cartographie des zones où la vitesse des ondes sismiques a diminué le plus (en orange-rouge) et le moins (en violet) par rapport à ce qu'elle était avant le seismes de Tohoku, encart en haut à gauche). Image: Brenguier et al 2014, Science

Les zones orange-rouge indiquent les endroits où, après le Tohoku, la vitesse des ondes était vraiment moins importante qu'avant le séisme (jusqu'à 0.12% en moins par rapport à la référence). Or les géophysiciens s'attendaient en fait à ce que les variations les plus fortes se trouvent au niveau des failles et plutôt à proximité de l'épicentre, et pas au niveau des zones volcaniques à plus de 100 km de là.

Comment ça s'explique?

Les géophysiciens ont donc dû avancer une piste pour expliquer la réaction particulièrement forte des zones volcaniques par rapport au reste de la croûte japonaise. La réponse se trouve vraisemblablement dans la nature même d'un système volcanique actif. En profondeur ce dernier  est en effet constitué d'une ou plusieurs chambres magmatiques, surplombées d'un réseau de fissures et microfissures. Ces dernières peuvent être sèches ou remplies de fluides. Libérés par le magma et/ou en provenance de la surface, ces derniers peuvent se trouver piéger dans ce réseau dense.
Ces fluides (eau et divers gaz, comme le CO2 qui est la molécule la plus abondante après l'eau) sont tous dans un état liquide, vu la pression qui règnent dans le système. Toutefois certains de ces fluides ne demandent qu'à se transformer en gaz: ils exercent une pression très importante, la plupart du temps contenue par la résistance mécanique de la roche.

Or une secousse aussi violente que celle de Tohoku ébranle ce système pressurisé, ouvre de nouvelles microfractures dans lesquelles s'engouffrent les fluides, générant à leur tour des microfractures en forçant le passage: la résistance de la roche est abaissée.
Or une roche moins résistante ralentit la vitesse des ondes sismiques. Les couleurs orange-rouge sur la carte ci-dessus, qui décrivent  la baisse de la vitesse de déplacement des ondes sismiques, indiquent surtout une baisse de la résistance des roches sous les zones volcaniques, suite au séisme, donc l'injection de fluides et l'ouverture des microfractures.


L' "Etat Critique" du Mont Fuji

Suite au séisme de Tohoku, les appareils situés près du volcan ont enregistré plusieurs crises microsismiques, et au moins une secousse de magnitude légèrement supérieure à 6. Ces crises sont le signe des mouvements de fluides décrits ci-dessus et, comme me l'a confirmé par téléphone Mr Brenguier, c'est l'ampleur de cette réponse qu'exprime l'expression "état critique", relayée par la presse. Le scientifique a d'ailleurs eu la prudence de préciser que le terme ne voulait pas dire "sur le point d'entrer en éruption", mais simplement que la croûte sous l'édifice, qui fait partie de son système d'alimentation, est maintenant plus fracturée, plus fragile, qu'elle ne l'était avant Tohoku.

La perturbation la plus forte après le séisme de Tohoku se trouve sous le mont Fuji. Image: Brenguier et al, Science 2014

Cependant pour qu'une éruption se déclenche il faut qu'un certain nombre de facteurs soient réunis dont:

- la présence de magma dans de bonnes conditions, par exemple suffisamment riche en gaz: pour le Fuji on ne sais pas si c'est le cas ou non.

- une voie pour lui permettre de sortir. Concernant ce point, ce que montre l'analyse de la vitesse des ondes sismiques par la TBA c'est que la voie pour l'ascension d'un magma est un peu plus ouverte qu'avant, puisqu'il y a plus de microfractures.

On a pu voir dans tous les articles parus cette semaine la corrélation entre l'éruption de 1707 du Fuji et le seisme de Hoei (magnitude 8.7) quelques semaines auparavant, et la situation actuelle.

Or s'il y a effectivement une corrélation temporelle entre le Hoeï et l'éruption de 1707, un véritable lien de cause à effet n'est, concrètement, qu'une hypothèse difficile à vérifier.
Mais partons du principe que le lien de cause à effet existe: cela signifie d'abords que le volcan était de toute façon près à entrer en éruption (le magma était là, et dans des conditions qui le rendaient "éruptible") et que le séisme aura facilité, précipité, l'ouverture du chemin vers la surface.

Aujourd'hui rien n'indique que, 3 ans après Tohoku, le volcan soit prêt à entrer en éruption: la situation n'est vraisemblablement pas la même qu'en 1707.

A après?

Cette étude permet donc de mieux comprendre comment un système volcanique réagit à une secousse de forte puissance. Comme me l'a expliqué Florent Brenguier, la principale limite actuelle est qu'il manque la troisième dimension sur la carte. On voit bien qu'il y a une anomalie (une baisse de la vitesse sismique) dans les zones volcaniques, mais la valeur indiquée, marquée par l'échelle de couleurs, est en réalité une moyenne sur les 10 premiers kilomètres d'épaisseur de la croûte.
Donc impossible pour le moment de dire si l'anomalie est très forte en surface et faible en dessous, ou forte en profondeur et faible en surface: les scientifiques ne peuvent pas encore dire comment elle se répartit sur toute l'épaisseur de la croûte.

Il s'agit donc d'un axe de travail important pour l'amélioration de cette technique très prometteuse. En effet, une fois la troisième dimension acquise, elle pourra servir de mesure de prévention des éruptions en permettant, pourquoi pas, de suivre quasiment en directe la remontée du magma, via les changements des propriétés mécaniques des roches qu'il traverse...et tout ça grâce à la houle!

De quoi  motiver les preux volcanologues de la Table Ronde non?

Je tiens à remercier chaleureusement Florent Brenguier pour le temps qu'il m'a accordé pour la rédaction de cet article.

Sources:

Brenguier, F., Campillo, M., Takeda, T., Aoki, Y., Shapiro, N.M., Briand, X., Emoto, K., & Miyake, H. (2014). Mapping pressurized volcanic fluids from induced crustal seismic velocity drops. Science.

Florent Brenguier, communiqué personnel