Plonger à la source du tsunami de 2011

Le laboratoire à bord du Chikyu. À gauche: la géologue Christie Rowe, de l’Université McGill, qui était membre de l’expédition.
Photo: James Kirkpatrick Colorado State University Le laboratoire à bord du Chikyu. À gauche: la géologue Christie Rowe, de l’Université McGill, qui était membre de l’expédition.

Le 11 mars 2011, un puissant séisme sous-marin d’une magnitude de 9,0 survenu au large des côtes du nord-est du Japon engendrait un tsunami dont les vagues, atteignant plus de 30 mètres de hauteur, dévastèrent les côtes, faisant plus de 18 000 morts et endommageant très gravement la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi. Un an après ce cataclysme, une équipe de 27 scientifiques procédait à un forage du plancher océanique sur le site même du séisme afin de caractériser la faille à l’origine de ce tremblement de terre et de reconstituer les conditions qui ont prévalu lors de ce spectaculaire glissement de plaques tectoniques. Les informations colligées l’an dernier à l’issue de cette expédition ont été publiées dans une édition de décembre du magazine Science.

 

Il s’agit du forage le plus profond jamais réalisé. La foreuse, installée à bord du vaisseau japonais de forage scientifique Chikyu — stationné à deux cents kilomètres de la côte japonaise —, devait d’abord s’enfoncer à une profondeur de sept kilomètres sous la surface de l’océan Pacifique pour rejoindre le plancher océanique.

 

Puis, le foret a dû percer 820 mètres de roc avant d’atteindre la faille, c’est-à-dire l’endroit où la plaque asiatique s’est engouffrée sous la plaque eurasienne, qui est connectée à la plaque nord-américaine et qui comprend une partie des îles japonaises. Une telle configuration où une plaque tectonique océanique plonge sous une autre est appelée « zone de subduction ».

 

Généralement, la plaque située au-dessus de la zone de subduction se raccourcit et s’épaissit sous l’effet de la pression exercée par la plaque sous-jacente qui tente de s’enfoncer sous elle.

 

C’est ainsi que, pendant des centaines de millions d’années, alors qu’elle continuait d’avancer sous la plaque eurasienne-nord-américaine (ENA), la plaque pacifique comprimait cette dernière, laquelle s’est alors peu à peu bombée, provoquant du coup l’élévation du plancher océanique et, de ce fait, des îles japonaises.

 

Puis, le 11 mars 2011, la pointe de la plaque ENA a soudainement glissé sur la plaque pacifique. En se détendant, elle s’est allongée d’une cinquantaine de mètres. Ce relâchement de la plaque ENA, qui était jusque-là comprimée, a eu pour conséquence d’affaisser la côte japonaise et de soulever le fond marin là où la plaque s’est déployée.

 

Ce soulèvement du plancher océanique a alors poussé vers le haut une immense colonne d’eau qui, une fois retombée à la surface de la mer, a roulé en direction de la côte japonaise sous la forme du tsunami que l’on connaît.

 

Des échantillons de roc

 

Dans le but d’éclaircir les circonstances de ce glissement de plaque tectonique, une équipe de 27 scientifiques originaires de 10 pays, parmi lesquels figurait la géologue Christie Rowe, du Département des sciences terrestres et planétaires de l’Université McGill, a mené une expédition du 1er avril au 24 mai 2012 où l’on a prélevé des échantillons de roc au niveau de la faille, mesuré la température qui y prévalait et analysé la composition des échantillons.

 

« Les Japonais avaient cartographié le plancher de l’océan avec un sonar un an avant le tsunami et peu de temps après, ce qui a permis de mesurer le déplacement du plancher. On a ainsi pu voir que la plaque eurasienne-nord-américaine avait avancé de 50 mètres et que son glissement avait entraîné une élévation du fond marin d’environ huit mètres à son extrémité. Ce mouvement vertical de huit mètres a alors élevé une immense colonne d’eau qui a créé la vague du tsunami », explique Mme Rowe, avant de rappeler que le plus gros tremblement de terre à avoir été enregistré à ce jour est celui survenu au large du Chili en 1960, d’une magnitude 9,5.

 

« Mais le glissement maximal de la plaque [située au-dessus de la zone de subduction] n’a pas dépassé 30 mètres en raison de sa très grande profondeur, soit de 40 kilomètres sous la surface de l’eau, poursuit-elle. Alors qu’au Japon, l’énergie, de magnitude 9,0, était moindre, mais la plaque sise en eau peu profonde s’est déplacée de 50 mètres, provoquant du coup un plus grand tsunami. »

 

Au cours des huit semaines d’expédition, trois trous de 6,5 centimètres ont été percés à l’aide d’un équipement spécifiquement conçu pour résister à la pression prévalant sept kilomètres sous la surface de l’eau. De ces trous ont été extraites des carottes de roche par tronçons de 10 mètres à la fois.

 

« Trois heures étaient nécessaires pour descendre la tête du foret jusqu’au plancher océanique situé 7 kilomètres sous la surface de l’eau. Le forage d’une carotte de 10 mètres prenait environ 30 minutes et la remontée de la carotte, encore trois heures », raconte Christie Rowe, qui recueillait les carottes remontées la nuit et les introduisait dans un appareil médical à rayons X afin de voir si le tronçon contenait un échantillon de la faille.

 

« Une fois remontées à la surface, les carottes étaient tout de suite apportées au laboratoire à bord du bateau. On s’assurait d’abord qu’elles ne dégageaient pas de gaz toxiques, comme du sulfure d’hydrogène [H2S], que produisent les bactéries des fonds marins. Aucun gaz toxique n’a été détecté. Ensuite, on broyait la moitié des carottes qui ne contenaient pas la faille afin d’en retirer l’eau et de l’analyser. La chimie de l’eau pouvait nous indiquer si la roche était située au-dessus ou au-dessous de la faille. Et l’autre moitié des carottes est archivée à Kochi, au Japon. »

 

Une boue grise

 

Les 820 premiers mètres de carotte n’étaient composés que d’une boue grise, compacte et dure. Puis, au site de la faille est apparue, sous la forme d’une boue noire et rouge, une fine couche de sédiments très anciens composés d’une argile très fine.

 

« Dans cette mince faille d’une épaisseur d’à peine cinq mètres se trouve concentrée une argile fine comme du talc, qui a la texture d’un lubrifiant et qui contribue à faire glisser les plaques l’une sur l’autre », précise Mme Rowe, qui compare cette argile à la crème pâtissière au milieu d’un gâteau. L’argile en question est probablement présente dans une bonne partie de cette région de l’Asie, ce qui laisse planer le risque que d’autres tsunamis du genre surviennent à l’avenir.

 

« Mesurant moins de cinq mètres, cette faille est l’une des plus minces observées à ce jour. En revanche, l’épaisseur de la faille californienne de San Andreas atteint plusieurs kilomètres à certains endroits », souligne-t-elle.

 

La chaleur dégagée

 

Un autre des principaux objectifs de l’expédition fut de mesurer la température au niveau de la faille afin de déterminer l’intensité de la friction lors du glissement de la plaque ENA. Un an après le séisme, on a mesuré une température de 25 °C sur le fond marin autour de la faille. Et à l’endroit précis du glissement, la température s’élevait à 25,1 °C.

 

« À partir de cette petite anomalie de 0,1 °C, nous avons pu calculer que, durant le séisme, la température atteignait plus de 600 °C là où s’exerçait la friction. Cette petite différence de 0,1 °C nous indique aussi que l’argile était vraiment glissante. Car plus le matériau est dur, plus le séisme génère de la chaleur, la température pouvant atteindre 1000 °C », explique la géologue.

 

Les scientifiques ont également effectué des mesures de champ magnétique afin de retrouver l’orientation qu’avait la carotte avant qu’elle ne soit extraite du sol, étant donné qu’elle a tourné de nombreuses fois sur elle-même au cours du forage.

 

Aussi, au moment d’un séisme, la décomposition de l’argile produit parfois du fer libre, lequel produit de petits cristaux de magnétite. « On cherche donc des changements brusques des propriétés magnétiques de la carotte qui nous aideraient à trouver les couches impliquées dans le tremblement de terre. Ces cristaux sont en quelque sorte la signature du tremblement de terre », explique la géologue.

 

La présence de bactéries se nourrissant de l’hydrogène produit lors de la fragmentation de l’argile induite par le tremblement de terre a aussi été recherchée au sein des sédiments. Et les scientifiques ont trouvé par endroits de fortes concentrations d’hydrogène accompagné de méthane, un gaz que les bactéries génèrent en brûlant l’hydrogène.

 

Bien que très fondamentales, ces études permettront de mieux comprendre les propriétés des failles et les mécanismes par lesquels elles produisent des tsunamis. Par ricochet, elles devraient également contribuer à mieux se préparer pour faire face à ces violents tremblements de terre et tsunamis qui y sont associés.

L'expédition a été financée par le Japon (40 %), les États-Unis (40 %) et un consortium européen qui incluait le Canada, l'Australie et la Nouvelle-Zélande (20 %).

 

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