Colloque « Espace et éducation »

La tectonique des plaques mesurée par GPS

Christophe Vigny, Cnes


Présentation du phénomène de la tectonique des plaques

La théorie de la tectonique des plaques remonte à un siècle environ. À la surface de la Terre, des plaques tectoniques se déplacent et provoquent des phénomènes de séisme. Une vingtaine de milliers de séismes ont eu lieu depuis 30 ans, mais leur répartition est très inégale. En effet, des zones immenses, les plaques tectoniques, sont quasiment dépourvues d'activité sismique. Ces plaques sont séparées par des lignes, où se produit le "bruit sismique".

Au total, onze grandes plaques sont découpées par les lignes de séisme. Le mouvement des plaques a été démontré au début du XXe siècle, mais la mesure de leur vitesse de déplacement est beaucoup plus récente. En fait, celle-ci est de l'ordre de quelques centimètres par an. La plaque du Pacifique est la plus rapide, son mouvement est orienté vers le nord-ouest et sa vitesse est de l'ordre de 10 centimètres par an. La plaque indienne se dirige vers le nord à raison de 7 centimètres par an. Par contre, le mouvement de la plaque eurasienne est beaucoup plus lent, sa vitesse ne s'élevant qu'à 1 ou 2 centimètres par an. De même, la plaque africaine n'est pas très rapide, ce qui n'exclut pas la survenance de séismes, comme celui qui s'est produit récemment à Alger. Il est vrai qu'il suffit d'un faible différentiel de vitesse entre deux plaques pour créer une ligne sismique.

Les vitesses qui vous sont présentées sont des modèles de vitesse géologique. Elles sont calculées par l'étude de l'ouverture des océans ou encore par l'étude de la formation des montagnes. Par exemple, on déduit la vitesse des plaques américaine et africaine en mesurant la largeur des océans et le temps s'étant écoulé depuis la séparation des deux plaques.

Certaines évidences géologiques ont pu être démontrées grâce à l'apparition des méthodes de géodésie spatiale. Une des méthodes utilisées est le GPS, mais il en existe d'autres.

Utilisation du GPS pour la mesure de la tectonique des plaques

Le GPS a été créé dans les années quatre-vingt par les militaires américains, pour des objectifs militaires, la localisation de n'importe quel objet avec une précision de l'ordre de quelques mètres, sur l'ensemble de la surface du globe. Une couverture totale de la surface de la Terre implique donc la rotation d'un ensemble considérable de satellites.

Pour mesurer une position, le satellite envoie un signal, on mesure alors le temps de trajet de l'impulsion. En le multipliant par la vitesse de la lumière, on en déduit la distance entre le satellite et la station. Si trois satellites effectuent une mesure simultanée, on peut calculer n'importe quelle position par triangulation. Toutefois, il existe un signal militaire codé mais aussi un signal civil, utilisé notamment par les randonneurs ou les chauffeurs de taxi et dont la précision est de l'ordre de quelques mètres. Les scientifiques utilisent l'onde porteuse du signal codé, qui permet de mesurer la position de la station avec une précision de l'ordre du millimètre.

Pour mesurer le mouvement de la croûte terrestre, on matérialise un point de manière simple. Il suffit en fait de poser un "clou", qui est un cylindre en inox. À sa verticale, une antenne est positionnée, la mesure obtenue permet de trouver la position du "clou". On en déduit donc le mouvement des plaques.

Mais il existe aussi des stations GPS qui fonctionnent en continu. Quelques centaines d'entre elles sont réunies au sein du réseau mondial de l'IGS (International GPS System). Il s'agit d'un système civil, qui est un consortium d'universités réparties dans le monde dont la vocation est de produire un certain nombre de mesures. En 2000, ce réseau a pu fournir des vitesses géodésiques qui sont certainement fiables puisqu'elles sont comparables aux vitesses fournies par les modèles plus classiques.

En outre, un calcul effectué sur 10 ans montre que les plaques tectoniques ont une vitesse constante. Leur déplacement, rapporté à une dizaine de millions d'années, serait donc du même ordre de grandeur que celui que l'on observe aujourd'hui.

Exemples de plaques où la précédente affirmation n'est pas vérifiée.

Vitesse géologique Vitesse géodésique (10 ans)
Plaque arabique 3 cm/an 2 cm/an
Plaque indienne 5 cm/an 4 cm/an
Plaque Nazca 8 cm/an 7 cm/an

Pour chacune des trois plaques, les explications de l'écart entre la vitesse géologique et géodésique sont différentes. Les réponses peuvent notamment être trouvées dans le manteau terrestre lui-même.

Frontière de plaques et sismogenèse

Les plaques sont rigides et accrochées les unes aux autres par des failles, dont les surfaces ne sont pas lisses, mais rugueuses. En s'accrochant, les plaques se déforment de part et d'autre. En termes mathématiques, cette déformation correspond à une fonction arc-tangente.

Par exemple, si deux plaques voisines vont dans une direction opposée, elles se déforment et après un certain temps la déformation devient plus forte que la friction sur la faille, celle-ci cède et le tremblement de terre se produit. Toutefois, le tremblement de terre peut survenir à n'importe quel moment. Notamment, dans l'hypothèse où ces deux plaques bougent à une même vitesse, un tremblement de terre pourra dépendre de la résistance des failles.

En concentrant les mesures sur une faille, en différents points GPS, il est possible de mesurer la déformation des plaques. De plus, des modèles mathématiques permettent d'évaluer la résistance de la faille, grâce à son épaisseur. Par ces outils, les scientifiques peuvent essayer de prévoir les séismes.

Comment la géodésie spatiale constitue-t-elle un apport dans la science de la prédiction en sismologie ? La déformation des plaques s'accumule pendant un certain temps, puis une cassure se produit. De nouveau, la déformation recommence à s'accumuler. Ce phénomène prend le nom de "cycle sismique", un séisme se produisant à intervalles de temps réguliers. Dans le cadre d'un modèle simple, il est aisé d'imaginer un séisme qui rattraperait 2 mètres de décalage tous les 200 ans, si une plaque se déplace à la vitesse de 1 centimètre par an. Dans cette hypothèse, un séisme de 6, 5 sur l'échelle de Richter se produirait tous les 200 ans.

Cependant, la réalité est plus complexe. À la surface de la Terre, les séismes sont plus ou moins importants au sein d'une même faille, ce qui s'explique par l'hétérogénéité terrestre. De même, des séismes peuvent se produire à intervalles irréguliers. La prédiction des séismes est donc difficile. Mais il est intéressant de constater qu'un séisme s'accompagne toujours de phénomènes présismiques et postsismiques. En effet, une faille se déforme avant et après le séisme, le temps pendant lequel les déformations se poursuivent variant de quelques minutes à quelques années. Les méthodes d'observation du phénomène, basées sur la géodésie spatiale, existent depuis à peine 20 ans et sont très performantes depuis seulement 5 ans.

La modélisation des phénomènes postsismiques a montré que les plaques continuent de bouger, sans pour autant provoquer de séismes dévastateurs. On parle alors de "mouvements silencieux". Lorsque les déplacements s'effectuent de cette manière, ils n'occasionnent pas de dégâts.


Exemple de la subduction Nazca - Amérique du Sud. © Cnes.

La magnitude du séisme d'Arequipa s'est élevée à 8. Les différentes observations ont montré que 2 mois avant le séisme, la station avait commencé à se déplacer dans une direction opposée, puis avait glissé à une vitesse de plusieurs millimètres par jour, dans le même sens que le séisme. En fait, ce phénomène peut être comparé à la compression et à l'étirement d'un élastique, avant que celui-ci ne se rompe. À ce jour, c'est le seul exemple au monde d'une mesure de ce type.

Un approfondissement de ces mesures pourrait permettre, à l'avenir, de prédire les séismes et d'alerter les populations civiles.

Conclusion

L'ensemble de ces progrès a été possible grâce à des mesures très précises. Toutefois, ces mesures nécessitent des travaux et un réseau d'instruments très complet à la surface de la Terre.


Séisme survenu au Pérou en juin 2001. © Cnes.

Échanges avec la salle

De la salle : Quelle relation faites-vous avec les données de l'interférométrie radar ?

Christophe Vigny : Les données obtenues à partir de la géodésie spatiale et celles issues de l'interférométrie sont très complémentaires. L'interférométrie est une méthode qui permet de mesurer la déformation du sol sur une zone de petite taille, c'est-àdire un carré dont les côtés ne mesurent pas plus de 100 kilomètres, avec une densité suffisamment grande, mais avec une précision moins satisfaisante, puisqu'elle est de l'ordre de quelques centimètres. Le GPS permet d'effectuer des mesures de la déformation avec une précision de l'ordre de quelques millimètres, à un seul endroit et non sur des millions de pixels. Si on prend en compte l'échelle temporelle, l'outil du GPS présente un autre avantage, puisqu'il permet d'effectuer plusieurs mesures par minute. Cela permet de construire des courbes d'évolution temporelle, ce qui est impossible dans le cadre de la technologie radar.

De la salle : L'instrument du GPS suffirait-il à lui seul, ou est-il indispensable de s'appuyer sur les deux types d'outils ?

Christophe Vigny : Il est indispensable de recourir aux deux technologies. En effet, le GPS est très important par sa précision et parce qu'il offre des séries temporelles denses. De même, l'utilisation du radar est essentielle, en ce qu'elle offre une densité de points dans l'espace qui est considérable. En combinant les deux types de mesures, on obtient une image extraordinaire des phénomènes observés.

De la salle : Les modèles que vous avez présentés ont-ils été corrélés à l'analyse historique ?

Christophe Vigny : Oui, mais cela pose de nombreux problèmes. En effet, la recherche documentaire est complexe, parce qu'elle nécessite des registres ayant été bien tenus au cours des siècles, ce qui est le cas en Chine, en Turquie et dans l'Europe postmédiévale. Il est alors possible de vérifier si la notion de "séisme caractéristique" est exacte.


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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