La magnitude des séismes de subduction pourrait-elle être liée à la rugosité de l’interface sismogène ?

Jeudi, 8 novembre 2018
Des chercheurs du Laboratoire Géosciences Montpellier (Université de Montpellier/Université des Antilles/CNRS) ont comparé la rugosité des plaques océaniques, juste avant qu’elles n’entrent en subduction, avec le comportement sismogène de la zone de subduction associée. Ils observent que les séismes de magnitude supérieure à 7.5 se produisent préférentiellement là où les plaques sont le moins rugueuses. La relation est encore mieux observée pour les magnitudes supérieures à 8.5.
Figure 1 : Représentation schématique d’une zone de subduction où l’on voit des reliefs océaniques (zones de fractures, monts sous-marins, rides asismiques) et plaines abyssales planes entrer en subduction. L’hypothèse est que la rugosité de l’interface sismogène (en rouge), là où les ruptures des séismes de subduction se propagent, est comparable à celui du plancher océanique avant d’entrer en subduction (en orange). Les zones de subduction sont le siège des plus gros séismes à la surface de la Terre. Nombreux sont les chercheurs qui tentent de mieux contraindre les facteurs conduisant à favoriser (ou limiter) le couplage entre les plaques sachant que l’énergie accumulée par la convergence devra inexorablement être libérée à un moment ou à un autre. Ils s’interrogent aussi sur la prédisposition de la faille – en l’occurrence le plan de subduction – à propager la rupture une fois initiée car on sait bien que la magnitude finale sera fonction de la surface rompue et du déplacement (glissement) sur la faille. Dans cette quête, les avis varient en même temps que les plus récentes ruptures font l’objet d’une analyse de plus en plus fine. Certains suggèrent que les reliefs en subduction jouent le rôle d’aspérités favorisant le couplage et sont initiateurs de ruptures tandis que d’autres au contraire voient ces objets comme des obstacles à la propagation de la rupture en segmentant les failles.
Figure 2 : Représentation des classes de rugosité du plancher océanique avant subduction le long des fosses océaniques : lisse (en vert), modérément rugueux (en orange) et rugueux (en rouge). A l’exception de quelques régions très limitées, il s’avère impossible pour l’instant de cartographier le relief du plan de subduction dans la zone dite sismogène, c’est à dire là où se propagent les ruptures. Les chercheurs ont donc pris le parti de contourner le problème en émettant l’hypothèse que la géométrie des fonds océaniques proches de la fosse, donc avant d’entrer en subduction, est peu différente de celle une fois entrés en subduction (figure 1). 
Après avoir testé cette hypothèse, ils se sont livrés à une analyse fréquentielle de la rugosité du plancher océanique en balayant les longueurs d’ondes de 12 à 100 km. Ils ont ainsi constitué une première base de données, baptisée SubRough, de la rugosité des fonds océaniques, à des longueurs d’ondes courtes (12-20 km), intermédiaires (20-80 km) et longues (80-100 km), jouant le rôle de « proxy » pour caractériser la topographie de l’interface de subduction adjacent. L’ensemble des zones de subduction océanique a ainsi pu être cartographié. La figure 2 permet de visualiser la rugosité moyenne des fonds océaniques sur la base des grandes longueurs d’ondes.
Figure 3 : Représentation de la rugosité du plancher océanique (petites longueurs d’onde à gauche et grandes longueurs d’onde à droite) en regard des ruptures des séismes de magnitude supérieure à 7.5 sur la période 1900-2017. La couleur des ruptures (et des cadres autour des dates) reflète la robustesse des données (en vert : plus jeune que 1990 + aspérités sismiques définies comme ayant accommodé 50% du glissement maximal (en noir) ; en jaune : plus vieux que 1990 + aspérités sismiques bien résolues ; en orange : plus vieux que 1990 + aspérités sismiques définies comme un pourcentage du glissement ; en rouge plus vieux que 1990 sans aspérités sismiques connues ; en mauve : plus vieux que 1990 avec seulement l’épicentre représenté par une étoile). Parallèlement à cela, il fallait disposer d’une base de données équivalente concernant les grandes ruptures du siècle dernier. La difficulté résidant dans le choix des modèles de rupture et l’hétérogénéité des données notamment suivant la date du séisme, les évènements s’étant produit par exemple depuis 1990 étant beaucoup mieux résolus que les plus anciens. Ce travail a donné lieu à une seconde base de données baptisée SubQuake, qui a été analysée puis mise en relation avec la base de données SubRough. La figure 3 illustre la comparaison des 2 bases de données (rugosité à grande longueur d’onde versus caractéristiques des ruptures des séismes de magnitude > 7.5) dans le cas de la marge andine.
Figure 4 : Schéma conceptuel illustrant les conclusions principales de ce travail. A l’issue de ce travail, il a été possible de déterminer quels étaient les interfaces de subduction majoritairement rugueuses, majoritairement lisses ou bien mixant les 2 à différentes longueurs d’ondes. La contribution relative des régions lisses et rugueuses joue probablement un rôle dans l’étendue des ruptures dites « multi-patch », lorsque plusieurs aspérités (secteurs fortement couplés) rompent les unes après les autres au cours d’un seul et même séisme. Les monts sous-marins, et dans une moindre mesure les rides océaniques asismiques, sont certainement les objets les mieux identifiables en termes de rugosité notamment dans les grandes longueurs d’ondes. Les zones de fractures en revanche se distinguent rarement de la rugosité moyenne ambiante, ce qui interroge sur le rôle de leur relief dans la sismogénèse. Le couplage sismique, c’est à dire le rapport entre le glissement sismique sur une faille et le glissement total prédit par le mouvement relatif entre les plaques, se corrèle parfaitement à la rugosité dans le sens où les interfaces de subduction lisses sont caractérisées par un fort couplage sismique, et inversement. De la même manière, on observe la même relation avec la magnitude des séismes. Les ruptures de magnitudes supérieures à 7.5 se produisent plus souvent là où l’interface de subduction est moins rugueuse à grande longueur d’ondes. C’est encore plus clair lorsque l’on ne considère que les méga-séismes de magnitude supérieure à 8.5. La tendance reste encore la même si l’on ne s’intéresse qu’aux aspérités sismiques, c’est à dire aux secteurs de rupture présentant le plus fort glissement sismique.
Liens utiles : 
Accès à la base de données sur les ruptures des séismes de subduction de magnitude supérieure à 7.5 depuis 1900 SubQuake.
Accès à la base de données sur les caractéristiques des zones de subduction SubMap.
Accès au matériel supplémentaire concernant la base de données sur la rugosité des fonds océaniques en subduction SubRough.

Source(s): 

Lallemand S., Peyret M., van Rijsingen E., Arcay D., and Heuret A. (2018) Roughness characteristics of oceanic seafloor prior to subduction in relation to the seismogenic potential of subduction zonesGeochemistry, Geophysics, Geosystems, doi:10.1029/2018GC007434

van Rijsingen E., Lallemand S., Peyret M., Arcay D., Heuret A., Funiciello F., Corbi F. (2018) How subduction interface roughness influences the occurrence of large interplate earthquakesGeochemistry, Geophysics, Geosystems, doi:10.1029/2018GC007618

Contact(s):
  • Serge Lallemand, Géosciences Montpellier
    serge [dot] lallemand [at] umontpellier [dot] fr, 04 67 14 33 01

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