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elements-geologie.com La tectonique des plaques et la cinématique Partie 2 En 4 parties Sommaire III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 1. La sismicité mondiale : limite des grandes plaques (a, b, c, d) 2. Les mécanismes au foyer des séismes : notion de sphère focale 3. Rappel : les projections stéréographiques 4. Le plan auxiliaire et le vecteur glissement 5. Les très grands séismes 6. Retour sur la sismologie globale 7. Les frontières convergentes 8. Les frontières divergentes 9. Les mouvements relatifs aux frontières des plaques 10. La base de la lithosphère Voir chapitre 8 Découvrez la 15e édition du « Pomerol » tout en couleurs, Éléments de Géologie (Dunod, 2015, M. Renard, Y. Lagabrielle, E. Martin, M. de Rafélis), à jour des dernières connaissances de la recherche en géosciences. Un livre qui répond aux exigences des étudiants, des candidats aux concours, des enseignants, des chercheurs… Et de l’amateur éclairé ! Toute l’info sur ce livre << Tous les reportages de terrain de elements-geologie.com Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 1. La sismicité mondiale : limite des grandes plaques (a) Comme les plaques sont indéformables (sauf à leurs bordures où la déformation se distribue dans le volume occupé par les érogènes), la répartition des séismes dessine la frontière des grandes plaques. Exercice : suivre et tracer les régions où se concentrent les séismes et comparer avec les cartes suivantes qui donnent les limites des plaques. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 1. La sismicité mondiale : limite des grandes plaques (b) On peut ainsi définir les limites des grandes plaques. A ce stade, on ne peut caractériser les types de frontières. Il manque les données relatives à la dynamique, à la source des séismes. Sont-ce des types compressifs, extensifs, décrochants ? Seule la connaissance des mécanismes au foyer des séismes à toutes les frontières, et éventuellement des vecteurs glissement peut nous éclairer sur la cinématique des mouvements entre les plaques. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com elements-geologie.net III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 1. La sismicité mondiale : limite des grandes plaques (c) La tectonique des plaques fournit une explication pour les surfaces de Wadati-Benioff. Une donnée sismologique essentielle dans la théorie de la Tectonique des Plaques vient de la répartition en coupe de la sismicité dans les zones dites de subduction. Les surfaces de Wadati-Benioff, surfaces inclinées descendant vers le manteau depuis les fosses océaniques, étaient bien connues avant les années 1960 (K. Wadati en 1935 et H. Benioff en 1949). La tectonique des plaques en donne un explication magistrale. Les séismes superficiels sont dus au frottement de la plaque qui descend. On peut aussi expliquer le double plan de sismicité intermédiaire, supérieure et inférieure (70-200 km), au sein de la plaque subduite, bien mis en évidence au Japon. La partie supérieure de la plaque qui plonge est en compression, la partie inférieure en tension car elle se déplie. S’y ajoutent des effets mécaniques dus à la déshydratation de la plaque. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 1. La sismicité mondiale : limite des grandes plaques (d) Pour expliquer la sismicité profonde (de 400 à 700 km) que l’on suit bien sur les coupes de la subduction des Kouriles du Japon et des Mariannes les avis sont encore partagés. Il est certain qu’il s’agit de processus mettant en jeu des changements de phase minéralogiques, mais les modalités sont discutées. Voir à ce sujet des compléments dans l’ouvrage. La tectonique des plaques fournit une explication pour les surfaces de Wadati-Benioff. A cela s’ajoute un fait capital. En travaillant sur la sismicité de la région Fidji-Lau-Tonga, Isacks et ses collaborateurs ont pu montrer le plongement de la lithosphère relativement froide au sein d’un manteau plus ductile. Grâce à l’étude de l’amplitude des ondes sismiques, ils montrent qu’il existe des régions avec un facteur de propagation élevé (high Q) et des régions susceptibles d’atténuer les ondes (low Q). Les premières correspondent à la lithosphère, les secondes à l’asthénosphère. Et pour la première fois, ils sont capables d’imager le panneau de lithosphère descendant dans le manteau supérieur. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 2. Les mécanismes au foyer des séismes : notion de sphère focale Les secteurs en tension à la source et donc en compression aux stations occupent les quadrants en noir. Les secteurs en compression à la source et donc en dilatation aux stations sont en blanc. Le réseau GEOSCOPE http://geoscope.ipgp.fr/ Le mécanisme au foyer d’un séisme se calcule en compilant les analyses d’un grand nombre de stations ayant enregistré le séisme (par exemple au travers d’un réseau comme GEOSCOPE). Les schémas ci-dessus montrent comment les stations sismologiques réagissent au premier mouvement du sol provoqués par un ébranlement sismique en faille normale ou en faille inverse, permettant de définir, à l’échelle du globe tout entier, 4 secteurs : 2 en compression, 2 en dilatation. Ces 4 secteurs sont rapportés au foyer du séisme en définissant un globe terrestre virtuel dénommé sphère focale. Le mécanisme au foyer est construit en reportant les éléments géométriques définissant la sphère focale en projection stéréographique de l’hémisphère inférieur sur un canevas de Wulff. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 3. Rappel : les projections stéréographiques En sismologie comme en tectonique, on utilise la projection stéréographique pour représenter des objets répartis dans l’espace et dont on veut comparer ou compiler certaines caractéristiques géométriques. On ramène tous les objets au centre d’une demi-sphère parallèlement à eux-mêmes. On montre ci-contre le principe de la projection pour une faille normale et une strie oblique, ce qui revient au même que de représenter un plan de rupture sismique et le vecteur glissement (slip vector). « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 4. Le plan auxiliaire et le vecteur glissement La cinématique, discipline qui étudie le mouvement des plaques, utilise une donnée importante déduite de l’étude des mécanismes au foyer : le vecteur glissement des séismes. Ce vecteur est porté par le plan de faille et indique la direction et le sens du mouvement relatif des 2 blocs de part et d’autre d’une faille. Dans le cas d’un séisme de subduction pure, le vecteur glissement sera proche de la ligne de plus grande pente du plan de faille. Note : un vecteur glissement peut être oblique par rapport à la ligne de plus grande pente du plan. La sphère focale rend compte d’un mécanisme au foyer dit en double couple car le mouvement aux stations peut s’expliquer par un glissement à la source sur deux plans possibles orthogonaux. Le plan de faille réel sera déterminé en s’appuyant sur la configuration géologique des lieux, l’autre plan est dit plan auxiliaire. Pour exemple, le mécanisme au foyer du séisme d’Haiti du 12 janvier 2010 montre deux plans qui sont proches de la verticale, indiquant un décrochement, mais laissant une indétermination sur la faille qui a rompu. Par contre, dans le cas du séisme de Sendai (ci-dessus), le plan de faille retenu sera celui dont l’orientation coïncide avec celle du plan de subduction (pendage vers l’ouest). « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 5. Les très grands séismes La carte ci-dessus permet de situer dans leur contexte géodynamique les trois types de mécanisme au foyer : en convergence, en divergence et en coulissage. La figure montre, en outre, que les séismes de subduction sont les plus énergétiques. Les plus forts séismes depuis 1900 ont eu lieu en effet le long des frontières convergentes du pourtour du Pacifique et en Indonésie : un seul séisme a eu lieu en contexte de collision intra-continentale. Les séismes de subduction donnent des mécanismes au foyer qui permettent de calculer les vecteurs glissement ; ils sont donc très utiles pour contraindre la cinématique globale. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 6. Retour sur la sismologie globale MAR EPR Pac-Ant MAR : Mid-Atlantic Ridge EPR : East-Pacific Rise Pac-Ant : dorsale Pacifique-Antarctique La carte de la sismicité mondiale ci-dessus nous confirme que les zones de subduction fournissent le maximum du signal sismique global. Les séismes des failles transformantes sont également puissants, surtout en Atlantique et dans l’océan Indien ainsi qu’au niveau de la dorsale Pacifique-Antarctique (Pac-Ant). Ils donnent des mécanismes qui contraignent correctement les frontières en coulissage. En revanche, les séismes extensifs des dorsales sont les moins puissants. Ils permettent une bonne localisation des frontières mais apportent peu de contraintes pour les mouvements. Naturellement, la dorsale médio-atlantique (MAR) est plus sismogénique que la dorsale Est-Pacifique (EPR) puisque la lithosphère sous l’axe de la MAR est plus épaisse que sous l’axe de l’EPR. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 7. Les frontières convergentes En reportant les séismes à mécanisme compressif sur la carte vierge des limites de plaques, on obtient le tracé des limites de plaques en convergence. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 8. Les frontières divergentes En reportant les séismes à mécanisme extensif sur la carte vierge des limites de plaques, on obtient le tracé des limites de plaques en divergence. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 9. Les mouvements relatifs aux frontières des plaques En compilant les deux cartes précédentes, on obtient la carte des limites de plaque, sur laquelle figurent les mouvements relatifs aux frontières (doubles flèches). La longueur des flèches est proportionnelle aux vitesses des mouvements relatifs. La méthode pour obtenir la valeur du module des vitesses relatives et absolues est donnée dans le reportage suivant. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com III. LES DONNÉES DE LA SISMOLOGIE 10. La base de la lithosphère, l’asthénosphère LVZ = asthénosphère En ondes P LVZ L’épaisseur de la lithosphère et donc des plaques est très variable. De quelques km seulement sous l’axe des dorsales à 300 km sous les vieux cratons. L’épaisseur augmente sous les océans avec l’âge de la plaque (voir le reportage sur l’altimétrie) En ondes S La sismologie, en mettant en évidence une zone à faible vitesse au sein des péridotites du manteau supérieur terrestre, définit l’asthénosphère. Elle donne ainsi une limite basale aux plaques lithosphériques. Le ralentissement des vitesses sismiques est du à la présence d’une faible proportion de liquide magmatique entre les minéraux du manteau, altérant les propriétés élastiques de la péridotite. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015.
