Tremblements de terre profonds : Pourquoi ils se produisent

De profonds tremblements de terre ont été découverts dans les années 1920, mais ils restent un sujet de controverse aujourd’hui. La raison en est simple : ils ne sont pas censés se produire. Pourtant, ils représentent plus de 20 % de tous les tremblements de terre.

Les tremblements de terre peu profonds nécessitent des roches solides pour se produire, plus précisément des roches froides et cassantes. Seules ces roches peuvent accumuler une contrainte élastique le long d’une faille géologique, maintenue par friction jusqu’à ce que la contrainte se relâche lors d’une rupture violente.

La Terre se réchauffe d’environ 1 degré C tous les 100 mètres de profondeur en moyenne. Si l’on ajoute à cela la haute pression souterraine, il est clair qu’à environ 50 kilomètres de profondeur, les roches devraient être en moyenne trop chaudes et trop serrées pour se fissurer et se broyer comme elles le font à la surface. Ainsi, les tremblements de terre profonds, ceux qui se produisent en dessous de 70 km, exigent une explication.

Dalles et tremblements de terre profonds

La subduction nous donne un moyen de contourner ce problème. Lorsque les plaques lithosphériques qui constituent l’enveloppe extérieure de la Terre interagissent, certaines sont plongées vers le bas dans le manteau sous-jacent. En sortant du jeu des plaques-tectoniques, elles reçoivent un nouveau nom : les dalles. Au début, les dalles, en frottant contre la plaque sus-jacente et en se courbant sous la contrainte, produisent des séismes de subduction de faible intensité. Ces phénomènes sont bien expliqués. Mais lorsqu’une dalle dépasse 70 km de profondeur, les chocs se poursuivent. Plusieurs facteurs sont censés y contribuer :

• Le manteau n’est pas homogène mais plutôt plein de variété. Certaines parties restent fragiles ou froides pendant très longtemps. La dalle froide peut trouver quelque chose de solide contre lequel pousser, ce qui produit des tremblements de terre de faible intensité, un peu plus profonds que les moyennes ne le suggèrent. De plus, la dalle pliée peut également se déformer, répétant la déformation qu’elle a ressentie précédemment mais dans le sens opposé.
• Les minéraux de la dalle commencent à changer sous la pression. Le basalte et le gabbro métamorphosés dans la dalle se transforment en une suite de minéraux de type blueschiste, qui à son tour se transforme en éclogite riche en grenat à environ 50 km de profondeur. De l’eau est libérée à chaque étape du processus, tandis que les roches deviennent plus compactes et plus fragiles. Cette fragilisation par déshydratation affecte fortement les tensions souterraines.
• Sous une pression croissante, les minéraux serpentins de la dalle se décomposent en olivine et en enstatite, ainsi qu’en eau. C’est l’inverse de la formation de la serpentine qui s’est produite lorsque la plaque était jeune. On pense qu’elle est complète à environ 160 km de profondeur.
• L’eau peut déclencher une fonte localisée dans la dalle. Les roches fondues, comme presque tous les liquides, prennent plus de place que les solides, donc la fusion peut briser des fractures même à de grandes profondeurs.
• Sur une large plage de profondeur, de 410 km en moyenne, l’olivine commence à se transformer en une forme cristalline différente, identique à celle du spinelle minéral. C’est ce que les minéralogistes appellent un changement de phase plutôt qu’un changement chimique ; seul le volume du minéral est affecté. Le spinelle de l’olivine se transforme à nouveau en une forme de pérovskite à environ 650 km. (Ces deux profondeurs marquent la zone de transition du manteau).
• Parmi les autres changements de phase notables, on peut citer l’enstatite en ilménite et le grenat en perovskite à des profondeurs inférieures à 500 km.

Il existe donc de nombreux candidats pour l’énergie à l’origine des séismes profonds, à toutes les profondeurs entre 70 et 700 km, peut-être trop. Les rôles de la température et de l’eau sont également importants à toutes les profondeurs, bien qu’ils ne soient pas précisément connus. Comme le disent les scientifiques, le problème est encore mal maîtrisé.

Détails sur les séismes profonds

Il existe quelques indices plus significatifs sur les événements de grande envergure. L’un d’eux est que les ruptures se déroulent très lentement, à moins de la moitié de la vitesse des ruptures peu profondes, et qu’elles semblent consister en des plaques ou des sous-événements très rapprochés. Une autre est qu’elles ont peu de répliques, seulement un dixième de celles des séismes peu profonds. Elles soulagent davantage le stress, c’est-à-dire que la chute de stress est généralement beaucoup plus importante pour les événements profonds que pour les événements peu profonds.

Jusqu’à récemment, le candidat de consensus pour l’énergie des tremblements de terre très profonds était le changement de phase de l’olivine à l’olivine-spinel ou faille transformationnelle. L’idée était que de petites lentilles d’olivine-spinelle se forment, se dilatent progressivement et finissent par se connecter en une feuille. L’olivine-spinel est plus douce que l’olivine, donc le stress trouverait une voie de libération soudaine le long de ces feuilles. Des couches de roche fondue pourraient se former pour lubrifier l’action, comme dans le cas de super défauts dans la lithosphère, le choc pourrait déclencher des défauts de transformation plus importants, et le séisme se développerait lentement.

Puis le grand tremblement de terre profond de Bolivie du 9 juin 1994 s’est produit, un événement de magnitude 8,3 à une profondeur de 636 km. De nombreux travailleurs ont estimé que cela représentait trop d’énergie pour que le modèle de faille transformationnelle puisse en tenir compte. D’autres tests n’ont pas permis de confirmer le modèle. Tous ne sont pas d’accord. Depuis lors, les spécialistes des tremblements de terre profonds essaient de nouvelles idées, affinent les anciennes et s’amusent.