L'énigme des séismes profonds est peut-être résolue

L’existence de séismes se produisant à plusieurs centaines de kilomètres de profondeur dans le manteau rend les géophysiciens perplexes. Une équipe internationale composée de membres de plusieurs laboratoires du CNRS, dirigée par Alexandre Schubnel du laboratoire de géologie de l'École normale supérieure, vient d’apporter une nouvelle pièce au débat sur l’origine de ces séismes profonds. Il s’agirait bien d’un changement d’état cristallin affectant un minéral présent dans des plaques subductées, l’olivine.

La sismologie a fait de grands progrès depuis les travaux des pionniers qu’étaient Emil Wiechert, Richard Dixon Oldham et Harold Jeffreys au début du XXe siècle. Cette science s’est avérée précieuse pour l’établissement de la théorie de la tectonique des plaques, conjointement avec la découverte des inversions magnétiques. En retour, la théorie des plaques a permis de comprendre pourquoi la majorité des séismes étaient rassemblés le long de lignes que l’on sait maintenant être des frontières entre plaques. Nous comprenons maintenant pourquoi les volcans de la célèbre ceinture de feu du Pacifique se trouvent autant associés à des zones sismiquement actives.

Or, récemment, le 24 mai 2013, a eu lieu le plus grand séisme profond jamais mesuré : sa magnitude a été évaluée à 8,3 Mw (magnitude énergétique). Son hypocentre a été localisé à près de 620 km sous la mer d’Okhotsk (mer russe de l’océan Pacifique), mais du fait de sa profondeur, il n’a été que faiblement ressenti sur les îles de Sakhaline et d’Hokkaïdo, au Kamtchatka et en Sibérie orientale russe. Ce genre de séisme est connu depuis 1922 des géophysiciens. Ces événements se distinguent des autres séismes qui sont majoritairement superficiels, se produisant à moins de 100 km de profondeur. Curieusement, comme beaucoup des séismes profonds, celui d’Okhotsk n’a quasiment pas été suivi de répliques.

Les séismes profonds sont d’habitude associés à ce que l’on appelle des plans de Wadati-Benioff, des surfaces plus ou moins complexes, formées par la distribution des hypocentres de ces séismes, plongeant dans les profondeurs du manteau de la Terre. Le premier a été découvert par le géophysicien japonais Kiyoo Wadati en 1935, mais c’est à Hugo Benioff que l’on attribue leur étude systématique en 1949. La découverte de la théorie de la tectonique des plaques a permis d’interpréter ces plans comme des plaques en train de subir un processus de subduction.

Or, si l’on arrive à comprendre les séismes superficiels en termes de rupture mécanique de roche jusqu’à une profondeur de 50 km environ, ce n’est plus vraiment le cas au-delà. Les pressions et les températures entre 400 et 700 km de profondeur (là où la pression excède la centaine de milliers de bars) rendent cette interprétation plus délicate. Le comportement des roches devrait être plus proche de celui d’un matériau visqueux s’écoulant sous des contraintes que d’un matériau solide et cassant.

Réseau de fractures conjuguées dont le glissement rapide est à l'origine des ondes ultrasoniques enregistrées en laboratoire. Ces fractures, dont l'épaisseur est parfois surlignée en gris clair sur la micrographie électronique, sont remplies de la phase de haute pression de l'olivine de germanium. L'enstatite de germanium (MgGeO3), phase blanche et globuleuse, inerte dans le système, sert de marqueur du glissement. La barre d'échelle, située en bas à gauche de l'image, correspond à 10 microns, c'est-à-dire dix millionièmes de mètre. © A. Schubnel et al., CNRS, 2013

L’une des théories proposées, il y a plus de 50 ans, pour décrire la génération des ondes sismiques dans les roches associées aux plaques subductées à ces grandes profondeurs, supposait une transition de phase dans un minéral connu sous le nom d’olivine. Lorsque les températures et les pressions sont suffisantes, la structure cristalline de l’olivine devait changer pour devenir celles d’autres minéraux mais de même composition chimique. Toutefois, un débat existait au sein de la communauté des géophysiciens, quant à savoir si cette transition de phase se produisait vraiment.

Le débat vient d’être relancé, suite à la publication dans Science d’un article sur des expériences portant sur le comportement d’une roche synthétique constituée d’un agrégat compact de cristaux d’olivine de germanium (Mg2GeO4), un analogue structural de l’olivine naturelle. Il s’agissait de reproduire les conditions régnant dans le manteau à l’aide d’une presse adéquate, et de mesurer ce qui se passait dans l’échantillon au moyen d’un faisceau de rayons X issu du synchrotron de l’APS (Advanced Photon Source, Argonne, États-Unis).

L’équipe de chercheurs français du CNRS et leurs collègues états-uniens ont effectivement découvert que les cristaux d’olivine soumis à des pressions de 2 à 5 gigapascals (20.000 à 50.000 bars) et des températures avoisinant les 900 à 1.000 °C changeaient de phase tout en se fracturant. Le processus s’accompagnait d’une émission intense d’ondes ultrasoniques partageant bien des caractéristiques de celles enregistrées à l’occasion des séismes profonds. Ils ont découvert en particulier que l’émission d’ondes par une fracture ne se produisait qu’une seule fois. Cela concorde avec la quasi-absence de répliques constatée avec ces séismes. Il est donc probable que les scientifiques soient sur la voie de la résolution de l’énigme des séismes profonds.