Séminaire « Les sciences de la vie et de la Terre au XXIème siècle »

Le point de vue du géologue : de la connaissance de l'aléa à la prévision du risque

Yves Gaudemer, professeur de géologie à l'université Paris-VII

Mon propos confirmera peut-être comme une approche scientifique et peut paraître plus aride que les approches qui viennent d'être mises en valeur. Néanmoins, elles sont les unes et les autres complémentaires. Je consacrerai mon discours aux séismes mais les concepts que j'emploierai peuvent tout à fait s'appliquer au volcanisme, aux glissements de terrain ou même aux inondations.

L'intervalle de récurrence des séismes

Les sciences de la Terre sont nées au début des années soixante-dix avec la découverte de la tectonique des plaques. Dans sa suite, les géologues ont longtemps considéré que les tremblements de terre étaient dus au blocage d'une faille sur laquelle pèsent des contraintes croissantes qui finissent par excéder la limite de rupture des roches, cette "relaxation des contraintes" créant le séisme. Les scientifiques affectionnent naturellement ce schéma du cycle sismique linéaire et régulier qui présente de plus l'avantage de permettre la prédiction de la survenue d'un séisme. L'idée ici en jeu est que la faille bloquée prend du retard par rapport à celles qui l'entourent. Le séisme lui permettrait de rattraper ce retard selon le rythme de son fonctionnement conçu comme régulier. Dans ce cadre, on appelle "séisme caractéristique" celui dont l'amplitude peut être la plus grande. À partir du calcul de cette amplitude et de la vitesse moyenne de déplacement de la faille, les géologues peuvent calculer "l'intervalle de récurrence" des séismes. Cette règle permet de donner une idée du niveau de risque représenté par une faille.

La mesure du déplacement cosismique est réalisée par les géologues sur le terrain. Ces mesures sont réitérées sur un fragment de la faille de 100 à 200 kilomètres afin de s'assurer de leur exactitude. Une nouvelle technique a également été mise au point il y a maintenant deux ans. Il s'agit de l'interférométrie radar qui fonctionne grâce à des satellites et qui permet l'obtention de signaux d'une très grande richesse. Elle permet notamment de déterminer le glissement sur la faille et également les déformations survenues à proximité, ce qui est essentiel en termes de mécanique des roches.

Les géologues cherchent ensuite à déterminer la vitesse de déplacement sur la faille à partir de l'observation des ruptures de surface créées lors de chaque nouveau tremblement de terre. Ils peuvent par exemple mesurer de combien de mètres une rivière autrefois rectiligne est décalée par une faille qu'elle enjambe, ainsi que nous pouvons l'observer sur la faille de San Andreas, en Californie. Une faille active peut également déplacer des éléments majeurs du paysage, telle une terrasse alluviale comme nous pouvons l'observer sur la faille de Kunlun en Corée. Il convient ensuite de dater ces formes du relief. Cette discipline est nouvelle et a pris son essor il y a une dizaine d'années par le recours aux isotopes cosmogéniques (le carbone 14, le béryllium 10, l'aluminium 26 et le chlore 37) dont la proportion dans les matériaux analysés croît régulièrement avec les années car ils sont produits par les rayonnements cosmiques qui atteignent la surface de la Terre.

Ces campagnes sont lourdes : elles requièrent le prélèvement de nombreux échantillons dont l'analyse est en outre très coûteuse. Grâce à ces mesures de la vitesse de la faille et du décalage cosismique, partant de l'hypothèse d'un fonctionnement tellurique régulier, nous pouvons connaître l'intervalle de survenue des séismes.

Des prévisions impossibles ?

Cette idée a prévalu jusqu'au milieu des années quatre-vingt-dix mais a été remise en cause par les sismologues qui, en recourant à la paléosismologie afin d'étudier les tremblements de terre passés, ont observé que leur survenue n'était pas régulière. Les failles ne fonctionneraient pas d'une manière aussi régulière que nous le croyions. Nous pensions pouvoir prévoir, à partir de l'analyse du relâchement des contraintes lors du tremblement de terre précédent, la survenue du prochain tremblement de terre et sa taille. En 2004, un sismologue américain travaillant sur la faille de San Andreas, en particulier sur le site de Wrightwood au nord de Los Angeles, a rendu publiques les conclusions de ses observations paléosismologiques : la séquence de tremblements de terre qu'il a pu déterminer n'obéit à aucun des modèles établis. L'idée d'un fonctionnement moyen de la faille sur une durée assez longue est elle-même battue en brèche. Alors que la faille progresse en moyenne de 3 centimètres par an dans la région de Los Angeles, il apparaît deux périodes de fonctionnement distinctes. De 500 à 800, elle aurait fonctionné à près de 9 centimètres par an, ce qui est plus rapide que le mouvement relatif des plaques entre l'Amérique du Nord et le Pacifique. Cette question pose problème. À l'inverse, de 800 à 1857, la faille n'aurait fonctionné qu'à la vitesse moindre de 2, 4 centimètres par an.

Les failles sont des objets complexes. À la fin des années quatre-vingt-dix, des physiciens ont même invité les sismologues à cesser de vouloir prévoir les tremblements de terre, arguant du fait que le comportement des failles était totalement aléatoire. Ainsi, la loi de Gutenberg-Richter qui exprime dans un diagramme logarithmique la relation entre le nombre de tremblements de terre d'une magnitude donnée, cette magnitude étant une loi de puissance avec un exposant 1 : c'est là la marque d'un phénomène aléatoire en cascade. Les physiciens ont établi un modèle qui rend compte du comportement d'une faille : ils ont disposé une plaque de verre sur des ressorts munis de patins. Ceux-ci représentent les contraintes qui pèsent sur la faille, ici la plaque de verre. Même en tirant avec une vitesse constante et régulière sur elle, le mouvement des patins apparaît entièrement aléatoire. Il est impossible de prévoir quand et quel patin lâchera et de combien de centimètres il se déplacera. La statistique des déplacements donne également une loi de Gutenberg-Richter. Ces physiciens sont donc parvenus à convaincre certains sismologues qu'il était vain de vouloir prévoir les tremblements de terre.

Des outils prometteurs

Il existe cependant quelques raisons pour rester optimistes. La faille de San Andreas qui est très active offre à cet égard un terrain d'observation privilégié qui permet de confronter son fonctionnement à des schémas réguliers au contraire des tremblements de terre qui ne surviennent que très rarement, comme c'est le cas en France. Une des raisons d'optimisme que nous pouvons mettre en avant est le fait qu'il existe toujours dans une région donnée plusieurs failles et non une seule et qu'elles ne fonctionnent pas de manière indépendante les unes des autres. Les contraintes pesant sur une faille potentielle peuvent ainsi varier. Forts de ces observations, les sismologues ont défini à partir de tous les tremblements de terre survenus au nord de Los Angeles entre 1975 et 1992 une zone rouge particulièrement exposée à un nouveau tremblement de terre. Or, en 1992, cette zone a en effet connu un tremblement de terre d'une magnitude de 7, 3. Il apparaîtrait donc possible de déterminer dans quelle mesure une série de tremblements de terre peut inhiber ou favoriser des mouvements sur d'autres failles de la même région. Cette modélisation est cependant statique. Chaque tremblement de terre provoque des changements de contrainte mesurables mais qui ne permettent pas de déterminer l'échéance du prochain séisme. Cet outil de prédiction prometteur reste donc à perfectionner.

Il a également été observé il y a quelques années que dans une région entourant un futur tremblement de terre, le niveau d'énergie sismique augmente de manière non linéaire mais exponentielle. En mesurant la façon dont l'énergie sismique a été libérée au cours du temps en Californie, nous observons que le modèle exponentiel se vérifie davantage au sud de l'État et le modèle aléatoire davantage au nord de l'État. Dans cette dernière zone, où le tremblement de terre le plus récent date seulement de 1906, la faille serait donc dans une période intersismique plus aléatoire en raison de l'éloignement dans le temps du prochain séisme important. Au contraire, au sud, où le dernier tremblement de terre est survenu en 1857 et où l'on attend précisément le "Big One", l'augmentation du niveau d'énergie sismique milite en faveur de la survenue prochaine d'un événement important. Il est cependant impossible, en l'état actuel de nos connaissances, de connaître le point critique de l'énergie sismique libérée nous permettant de prédire à quelle échéance ce tremblement de terre pourra survenir. Ces données peuvent nous rendre cependant plus optimistes que les déclarations des "physiciens du tas de sable", tenants du modèle aléatoire.

Les échelles de temps sur lesquelles travaillent les géologues sont très variées. Les sismologues s'intéressent aux quelques secondes ou minutes du séisme lui-même. Les géodésiens mesurent les déformations de la terre sur des durées de 10 à 100 ans. Enfin, les géologues travaillent sur des échelles de 100 à 100 000 ans. Ces diverses compétences sont nécessaires pour étudier les objets en cause. Les géologues recourent à des techniques diverses afin d'apporter leur contribution à la prédiction des tremblements de terre. Grâce à la géomorphologie, ils peuvent rechercher des indices de l'activité d'une faille. Grâce à la dendrochronologie, qui consiste en l'étude des anneaux de croissance des troncs d'arbre qui souffrent des mouvements de la faille sur lesquels ils peuvent être situés, ils peuvent également en reconstituer l'histoire. Toutefois, cette technique a quelques limites car une forte sécheresse peut également être la cause d'un arrêt de croissance. Par ailleurs, un chercheur a récemment découvert une technique originale, la lichenométrie, née du constat qu'il est possible de regrouper par tailles les lichens présents sur les roches : ces blocs étant fabriqués lors de tremblements de terre, ils font apparaître de nouvelles faces de roche à l'air libre, la taille de l'extension des lichens permet de reconstituer l'histoire des séismes. Cette méthode appliquée en Nouvelle-Zélande, où les tremblements de terre sont très fréquents, a permis d'établir que la faille néo-zélandaise fonctionne de manière très régulière, laissant présager que le prochain tremblement de terre est proche. Enfin, la paléosismologie consiste à tenter de trouver dans le passé des traces des anciens tremblements de terre par une analyse très fine de sédimentologie : les séismes peuvent en effet créer des dépressions qui, remplies d'eau, accueillent de la végétation puis leurs sédiments. Le carbone 14 piégé dans cette matière organique permet de mesurer la date de survenue du tremblement de terre. Un site d'étude au Liban est aujourd'hui très intéressant sur ce sujet.

Était-il possible de déterminer le séisme qui vient de secouer la Guadeloupe ? 1 Cette région est située sur une zone de subduction où la plaque d'Amérique du Nord glisse sous la plaque Caraïbe à une vitesse de 2 centimètres par an. Les tremblements de terre de subduction ne sont cependant pas les plus menaçants pour cette zone. Ceux qui surviennent au bord de la plaque des Caraïbes sont les plus importants. Celle-ci a connu en 1843 un tremblement de terre d'une magnitude estimée à près de 8 qui a soulevé l'île de la Grande Terre de plus de 2 mètres. Il importe donc d'étudier cette zone aujourd'hui très peuplée. Le tremblement de terre récent a eu lieu sur une faille qui avait été identifiée comme active. Nous savions donc qu'elle était potentiellement dangereuse. La production d'énergie sismique a également augmenté avant la survenue du séisme. Cependant, cette mesure n'a été effectuée qu'après. Or il est beaucoup plus aisé de "prévoir" les choses une fois qu'elles se sont produites…

La prévision des tremblements de terre nécessite de nombreuses observations. Des efforts restent à accomplir pour la connaissance des processus physiques qui sont en jeu. Les séismes sont des objets très complexes dont le fonctionnement est bien moins connu que celui d'une galaxie ou même du Big Bang. Un tremblement de terre ne peut se décrire avec une équation différentielle. Cette même complexité vaut pour le mécanisme des éruptions volcaniques, qui sont causées à des kilomètres de profondeur, et des glissements de terrain qui impliquent des infiltrations d'eau difficilement observables.

Échanges avec la salle

De la salle : Un satellite a récemment été envoyé dans l'espace pour prévoir des séismes par l'étude de l'atmosphère. Avez-vous des précisions sur cette méthode ?

Yves Gaudemer : Le satellite Déméter a en effet été lancé il y a quelques mois suite à l'observation qui a été faite de perturbations ionosphériques après des tremblements de terre. La secousse du sol provoque en effet des ondes qui se propagent dans l'atmosphère. Il est donc possible d'étudier, d'une certaine façon, les tremblements de terre dans l'ionosphère. Cependant, nos connaissances physiques ou chimiques actuelles ne nous permettent pas d'espérer pouvoir mesurer l'apparition dans l'atmosphère de phénomènes précurseurs aux séismes. Cette piste ne doit toutefois pas être négligée. Des observations systématiques doivent ici également être réalisées. C'est ce à quoi Déméter est précisément destiné.

De la salle : Vous affirmez que le tremblement de terre de la Guadeloupe n'est pas lié à la subduction. Quelle en est donc l'origine ?

Yves Gaudemer : Il est dû à des déformations internes à l'arc des Caraïbes qui sont causées par le passage sous lui de la plaque d'Amérique du Nord qui crée de nombreuses failles.

  1. De magnitude 6.3 (mb et Mw), le seïsme s'est produit le dimanche 21 novembre 2004 à 11.41 (TU) affectant l'arc des Petites Antilles.

 


Actes du séminaire national - Les sciences de la vie et de la Terre au XXIème siècle : enjeux et implications 15 et 16 décembre 2004

Mis à jour le 15 avril 2011
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