Des chercheurs grenoblois expliquent dans la revue Nature l'origine des fracturations de la croûte terrestre inférieure par des répliques sismiques.

Des cher­cheurs de l’ISTerre révèlent avec une équipe inter­na­tio­nale com­ment les séismes façonnent le relief de la Terre

Des cher­cheurs de l’ISTerre révèlent avec une équipe inter­na­tio­nale com­ment les séismes façonnent le relief de la Terre

FIL INFO – Une équipe inter­na­tio­nale de scien­ti­fiques dont des cher­cheurs de l’Institut des sciences de la Terre de Grenoble (ISTerre) lient pour la pre­mière fois les frac­tu­ra­tions de la croûte ter­restre infé­rieure aux séismes dans la croûte supé­rieure. Leurs tra­vaux ont été publiés le 26 avril 2018 dans la revue Nature.

Sans frag­men­ta­tion, la croûte ter­restre infé­rieure est une couche de roches si rigide qu’elle rend impos­sible l’ou­ver­ture des rifts, l’af­fais­se­ment des bas­sins sédi­men­taires, la for­ma­tion de pla­teaux conti­nen­taux ou des chaînes de mon­tagnes qui façonnent le relief de la Terre.

Chaîne de montagnes. DR

Chaîne de mon­tagnes. DR

Pour expli­quer cette frag­men­ta­tion de la croûte ter­restre infé­rieure, les scien­ti­fiques s’en réfé­raient jus­qu’ici à un seul méca­nisme “ascen­dant” de cisaille­ment pro­fond. Celui-là même qui induit les mou­ve­ments des plaques tectoniques.

Renversant les idées reçues, voilà qu’un méca­nisme “des­cen­dant” vient d’être décou­vert par une équipe inter­na­tio­nale* de scien­ti­fiques dont des cher­cheurs de l’Institut des sciences de la Terre de Grenoble (ISTerre). Ceux-ci lient pour la pre­mière fois les trans­for­ma­tions de la croûte ter­restre infé­rieure aux défor­ma­tions de la croûte supé­rieure. Leurs tra­vaux ont été publiés** le 26 avril 2018 dans la revue Nature.

La frac­tu­ra­tion de la croûte infé­rieure per­met l’apparition de roches plus tendres

Le point de départ des scien­ti­fiques ? Les résul­tats de récentes études mon­trant qu’a­vant la for­ma­tion d’une chaîne de mon­tagnes (ou oro­ge­nèse), la croûte infé­rieure est com­po­sée de roches de type gra­nu­lite qui sont à la fois riches en fer et magné­sium, sèches, imper­méables mais sur­tout méca­ni­que­ment résis­tantes. À tel point qu’elles rendent impos­sible la géo­dy­na­mique ter­restre (modi­fi­ca­tions subies par le globe ter­restre comme la for­ma­tion des montagnes).

Dès le début d’un évé­ne­ment oro­gé­nique, des infil­tra­tions de fluides (eau en pro­ve­nance de la sur­face) ont lieu le long de zones de cisaille­ment ou de frac­tures à l’in­té­rieur des granulites.

Fracturation sismique qui a mis en contact des granulites avec des fluides et entrainé leur transformation en éclogites. Cette transformation granulite-éclogite, provoquée par des séismes contrôle la résistance mécanique de la croûte inférieure terrestre, ce qui a des conséquences géodynamiques sur l'évolution des frontières de plaque en collision et sur la dynamique des chaînes de montagnes. © Andrew Putnis, Curtin University, Australie.

Fracturation sis­mique qui a mis en contact des gra­nu­lites avec des fluides et entraîné leur trans­for­ma­tion en éclo­gites. Cette trans­for­ma­tion gra­nu­lite-éclo­gite, pro­vo­quée par des séismes, contrôle la résis­tance méca­nique de la croûte infé­rieure ter­restre, ce qui a des consé­quences géo­dy­na­miques sur l’é­vo­lu­tion des fron­tières de plaque en col­li­sion et sur la dyna­mique des chaînes de mon­tagnes. © Andrew Putnis, Curtin University, Australie.

Dans les condi­tions phy­siques de la pro­fon­deur, l’in­te­rac­tion de ces fluides avec les gra­nu­lites fait appa­raître, par hydra­ta­tion, de nou­velles roches. Celles-ci sont méta­mor­phiques, plus denses mais méca­ni­que­ment plus faibles. Leur nom ? Les éclo­gites.

Pour les cher­cheurs, l’origine de ces zones de cisaille­ment ou de frac­tures dans la croûte ter­restre infé­rieure qui per­mettent l’in­dis­pen­sable trans­for­ma­tion gra­nu­lite-éclo­gite, n’est pas loca­li­sée dans les couches pro­fondes de la litho­sphère*** (l’en­ve­loppe rigide de la sur­face de la Terre qui com­prend aussi le man­teau supé­rieur). Mais en sur­face, dans la croûte ter­restre supérieure.

Les séismes frac­turent la croûte infé­rieure par un méca­nisme de « pulses d’éner­gie élastique »

Comment sont-ils par­ve­nus à cette conclu­sion inédite ? Grâce à la décou­verte dans des affleu­re­ments**** de gra­nu­lites de la croûte infé­rieure conti­nen­tale ter­restre, de traces de séismes fos­siles, appe­lées pseu­do­ta­chy­lites. Ces for­ma­tions à l’as­pect sombre, consti­tuées de roches broyées et fon­dues sous l’ef­fet d’une élé­va­tion bru­tale de la tem­pé­ra­ture, se forment en effet lors de séismes, par fusion fric­tion­nelle à l’in­ter­face entre deux plans de faille.

Libération brusque d'énergie lors d'un séisme par rupture le long d'une faille. DR

Libération brusque d’éner­gie lors d’un séisme par rup­ture le long d’une faille. DR

Or, aux dires des cher­cheurs, les phé­no­mènes sis­miques ne peuvent être déclen­chés dans les condi­tions de pres­sion éle­vées de la croûte infé­rieure, encore moins du man­teau. Seule solu­tion ? Ce sont « les séismes sur­ve­nant dans la croûte supé­rieure [entre 10 et 30 km de pro­fon­deur, ndlr] qui endom­magent signi­fi­ca­ti­ve­ment la croûte infé­rieure, ren­dant pos­sible la cir­cu­la­tion de fluides et le méta­mor­phisme des roches », indiquent-ils.

Comment ces séismes à la sur­face de la terre exercent-ils une action en pro­fon­deur ? « L’activité sis­mique régu­lière dans la croûte supé­rieure sis­mo­gène entre­tien­drait un méca­nisme natu­rel de ”pulses d’éner­gie élas­tique” indui­sant des répliques [ou trem­ble­ments de terre secon­daires, ndlr] dans la croûte infé­rieure, à l’o­ri­gine de son endom­ma­ge­ment », explique François Renard, pro­fes­seur à l’Université Grenoble-Alpes (UGA), cher­cheur à l’ISTerre et co-signa­taire de la publication.

Les foyers des répliques sont loca­li­sés entre 30 et 60 km de profondeur

Par modé­li­sa­tion, les cher­cheurs sont par­ve­nus à déter­mi­ner la pro­fon­deur des foyers (lieu de la rup­ture des roches aussi nom­més hypo­centres) des répliques. Ces der­niers sont situés entre 30 et 60 km de pro­fon­deur, dans la région sis­mo­gène de la croûte inférieure.

Les scien­ti­fiques ont aussi pu cal­cu­ler le volume de la par­tie pro­fonde de la croûte ter­restre ainsi affec­tée par les répliques. Très signi­fi­ca­tif, il est supé­rieur à 1 % du volume total de la croûte infé­rieure par mil­lion d’an­nées d’ac­ti­vité oro­gé­nique. C’est-à-dire d’une ampleur telle que « ce pro­ces­sus glo­bal pour­rait bien impac­ter le com­por­te­ment méca­nique de toute la croûte infé­rieure », d’après ces derniers.

Véronique Magnin

* L’équipe inter­na­tio­nale est com­po­sée de cher­cheurs de l’Institut des sciences de la Terre de Grenoble (Université Grenoble Alpes/CNRS/IRD/IFSTTAR/Université de Savoie Mont Blanc), de l’Université d’Oslo et de l’Université de Californie du Sud.

** B. Jamtveit, Y. Ben-Zion, F. Renard, H. Austrheim. Earthquake-indu­ced trans­for­ma­tion of the lower crust, Nature, 26 avril 2018.

*** La litho­sphère (ou boule de pierre) com­prend la croûte ter­restre supé­rieure, infé­rieure et une par­tie du man­teau supérieur.

**** Les pseu­do­ta­chy­lites ont été exhu­mées dans l’Arc de Bergen, à l’ouest de la Norvège et datent d’une col­li­sion tec­to­nique Calédonienne sur­ve­nue il y a 400 mil­lions d’années.

Véronique Magnin

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