Tectonique des plaques, séismes et GPS
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GPS
Tectonique des plaques,
séismes et GPS
riches en vapeur d’eau : l’indice
Comment l’installation de stations GPS permanentes n de réfraction atmosphérique
change avec son contenu hygro-
fournissant des données de haute précision permet de métrique, donc le front d’onde
subit un léger décalage en position
mesurer le déplacement et la déformation des « plaques »
et en phase. Comme il n’est guère
qui forment la croûte terrestre, de définir avec précision possible, à l’heure actuelle, d’es-
timer avec précision le profil de
leur étendue, d’analyser a posteriori les séismes voire la concentration en vapeur d’eau
d’en prédire de nouveaux. de l’atmosphère (qui plus est sur
2π d’angle solide), les mesures
instantanées sont entachées d’une
incertitude météorologique 2.
Deux autres facteurs, corrigibles,
V
oilà maintenant deux précision 1 des mesures s’est introduisent des incertitudes :
décennies que le GPS d’ailleurs fortement accrue, mais Le déplacement du centre de
fournit des données de plusieurs problèmes demeurent phase de l’antenne, ce qui signifie
haute qualité à la géodésie. Sur qui en limitent l’amélioration : que, suivant l’incidence du signal,
ces vingt dernières années, la la phase du signal reçu à l’entrée
1. La traversée par les signaux du récepteur varie légèrement,
radio de la couche ionosphérique ; comme si celui-ci se déplaçait ; ce
si cette dernière n’empêche pas phénomène peut se compenser
la propagation de l’onde comme en utilisant deux antennes iden-
c’est le cas pour la gamme décamé- tiques, orientées dans la meme
trique (f < 30 MHz), elle introduit direction ;
néanmoins un retard, qui dépend Le centrage des embases mobiles
non seulement de la concentration (trépied). Cette pratique peu fiable
ionique de la couche, mais égale- est remplacée par le boulonnage
ment de la fréquence. Grâce à systématique des aériens.
l’emploi de signaux simultanément
émis sur deux fréquences différen- Grâce aux progrès accomplis
tes, le retard ionosphérique peut depuis quelques années dans le
s’estimer – du moins au premier calcul des orbites, l’amélioration
ordre ; des réseaux permanents et GTK,
la technologie bi-fréquence et les
Figure 1 : Comparaison de la précision de la
mesure GPS entre 1991 et 2006 en fonction 2. La traversée des couches atmos- techniques de post-traitement
de la longueur des lignes de base. phériques basses (la troposphère), (filtrage), l’erreur de mesure sur
1. Il y a une grande différence entre exactitude et précision. Les mesures sont précises car on peut les répéter, elles donnent le même résultat à
quelques mm près. Sont-elles cependant exactes ? C’est-à-dire, si l’on mesure avec un autre instrument, trouve-t-on une quantité identique ?
2. À l’inverse, il est possible de déduire du retard enregistré par le signal GPS l’intégration de la concentration en vapeur d’eau le long du trajet
de l’onde et la concentration de l’ionosphère en particules chargées : le GPS est ainsi devenu un instrument d’observation de certaines propriétés
physiques de l’ionosphère et de la vapeur d’eau dans l’atmosphère.
30 Géomatique Expert - N° 65 - Octobre-Novembre 2008
des lignes de base de plusieurs L’ultime problème tient dans la
milliers de kilomètres a maintenant mise en référence : mesurer des
chuté à des niveaux très faibles : il déformations sur de petits réseaux
y a vingt ans, il fallait compter sur est facile, les mêmes mesures sur
des incertitudes de l’ordre de 5 à de grands réseaux impliquent le
10 cm pour des lignes de base de choix d’un système de référence
5 000 km ; actuellement, sur les global, qui présente ses propres
mêmes distances, ces imprécisions problèmes. L’ITRF, avec ses diffé-
ne dépassent plus le centimètre. rentes réalisations, modélise les
déplacements séculaires (très
lents) de la croûte terrestre ; ces
La tectonique réalisations ne sont pas toujours
faciles, en particulier dans des
des plaques régions où il y peu de stations du
réseau mondial, et où les vitesses
La tectonique des plaques postule de ces stations varient dans le
l’existence de grands blocs solides temps. Figure 2 : Erreur sur la vitesse mesurée
qui flottent à la surface du magma (en mm/an) en fonction de la durée
d’observation GPS.
interne en fusion. Ces blocs se
déplacent selon des trajectoires L’apport du GPS
propres, et leurs frontières se
matérialisent par des failles ou Les grands principes de la tectoni-
des dorsales, lieux privilégiés des que des plaques ont été évoqués :
activités sismique et volcanique. des « plaques » surnagent sur
L’étude de la tectonique requiert un manteau solide mais qui se
donc l’évaluation des vitesses des comporte comme une pâte
stations, solidaires de la plaque visqueuse à l’echelle de plusieurs
sur laquelle elles se trouvent. Pour millions d’années (puisque la visco-
cela, il suffit de mesurer régulière- sité du manteau apparaît comme
ment leur position, puis de diviser 1024 fois supérieure à celle de
les différences par les intervalles l’eau !) ; ces plaques se déplacent
de temps. Bien entendu, plus la suivant leur trajectoire propre,
précision des mesures est impor- s’écartent les unes des autres ou
Figure 3 : Déplacement des différentes
tante, moins l’on doit attendre entrent en collision, le tout avec stations qui participent à la réalisation de
pour détecter des mouvements des vitesses de l’ordre de quel- l’ITRF 2005.
de faible vitesse : ainsi, avec une ques millimètres à une dizaine de
incertitude de 5 mm, il faut patien- centimètres par an (au maximum
ter sept ans avant de mettre en 17 cm/an en Papouasie-Nouvelle-
évidence des mouvements de Guinée et au Vanuatu, proche de
l’ordre du millimètre par an ; la Nouvelle-Calédonie).
si l’incertitude décroît à 3 mm,
quatre ans seulement suffisent. La disponibilité de mesures
GPS atteignant cette précision a
On pourrait donc croire que, pour confirmé l’hypothèse de base la
détecter des mouvements très théorie, tout en y apportant une
lents, il suffit d’utiliser des séries touche de complexité. En effet,
temporelles suffisamment longues. il est apparu que l’étendue des
Ce raisonnement est cependant plaques n’étaient pas celle que
faux : l’inexactitude des mesures l’on attendait, et qu’il existait
passées est telle qu’il est, en des unités tectoniques de taille
réalité, impossible d’exploiter ces inférieure, les « blocs », voire
résultats anciens pour calculer des même des « micro-blocs », qui
tendances à long terme. En outre, accommodent les chevauchements
cela suppose que le mouvement des grandes plaques à plusieurs
des stations ne varie pas au cours endroits. Par exemple, l’Indonésie
du temps, ce qui est exact pour et la Chine du sud, que l’on croyait
Figure 4 : Déplacement des stations du Sud-
certaines stations, mais totalement jusqu’ici faire partie de la plaque Est asiatique et mise en évidence du bloc de
faux pour d’autres. eurasienne, se rattachent en fait à la Sonde (en rouge).
Géomatique Expert - N° 65 - Octobre-Novembre 2008 31
de poser des stations GPS de
part et d’autre de ces failles pour
enregistrer la vitesse relative des
plaques le long de la fracture
(« vitesse de faille »). Ce n’est
pas le cas. La plupart du temps,
ces failles sont « bloquées » : en
raison de l’énorme viscosité et des
forces de frottement, les plaques
ne glissent pas librement : elles
sont solidaires, et accumulent
l’énergie cinétique sous forme
de déformation élastique. De ce
fait, le profil des vitesses axiales,
prises perpendiculairement à la
faille, suit assez bien une loi en arc-
tangente, dont la pente maximale
Figure 5 : profil transverse des vitesses GPS enregistrées près de la faille de Sagaing en correspond à la localisation de la
Birmanie. faille. Lorsque ces déformations
dépassent le seuil de contrainte,
deux blocs indépendants, baptisés ment précise les vecteurs vitesse il se produit une rupture, c’est-
bloc de la Sonde et de Chine du issus des études géologiques. à-dire un séisme. Suivant les cas,
sud 3. Cette concordance signifie que les cette cassure peut être brutale et
plaques possèdent une inertie telle catastrophique, ou bien étalée et
Avant l’avènement des systè- que leurs trajectoires n’évoluent insensible. Ce dernier cas, baptisé
mes GNSS, l’unique moyen à la pas sensiblement sur quelques « séisme silencieux », est l’une des
disposition des chercheurs pour millions d’années. Cependant, découvertes de la sismologie GPS
évaluer la dérive des continents trois exceptions viennent tempé- (voir ci-après).
consistait en l’analyse des fonds rer cette règle : la plaque Nazca,
marins. Les roches magmatiques au large de l’Amérique du sud, Le GPS ne peut évaluer la vitesse
qui émergent au fond des océans l’Arabie et l’Inde semblent se des failles ; il mesure, loin à l’inté-
gardent une trace de l’inversion mouvoir plus lentement que la rieur des plaques, les vitesses de
régulière du champ magnétique géologie ne le laissait prévoir. dérive, et, en bordure, la défor-
terrestre lorsqu’il se produit ; si Si pour la première, on penche mation causée par les frictions le
les plaques s’écartent, comme plutôt pour un artefact dû au long des fractures. La vitesse de la
c’est le cas le long des dorsales, manque de données précises, faille n’est accessible qu’au travers
il suffit de repérer les inversions pour les deux dernières, il s’agirait d’une modélisation mathématique,
identiques de part et d’autre de d’un effet réel : la plaque indienne, nécessairement arbitraire : deux
la dorsale médiane, de mesurer la qui progresse vers le nord, entre modélisations différentes donne-
distance qui les sépare, d’évaluer en collision avec la plaque eura- ront deux vitesses de glissement
par des moyens géologiques l’âge siatique, poussant devant elle le différentes.
de l’inversion pour en déduire bourrelet toujours croissant de
la vitesse moyenne du mouve- l’Himalaya et du plateau Tibétain ; À première vue, il apparaît que
ment. Problème : cette méthode elle a donc tendance à ralentir, l’exactitude et la multiplicité des
ne fonctionne qu’en présence entraînant avec elle sa voisine mesures par GPS permet de
de dorsales ; là où les plaquent arabique. calculer la trajectoire de toutes
convergent au lieu de diverger, il les plaques. Cependant, il faut
n’y a aucune information géologi- nuancer : pour certaines plaques
que. L’évaluation des vitesses doit Des failles majoritairement sous-marines
donc se faire de manière détour- (comme la plaque Nazca), le peu
née, en constituant un circuit de bloquées de terres émergées ne permet
plaques dont les vitesses relatives pas des relevés exhaustifs – ce
sont connues. Les plaques, aux endroits où qui donne lieu à des incertitu-
elles se rencontrent, créent des des. Heureusement, les additions
Les mesures GPS sont venues failles dans l’écorce terrestre. vectorielles des vitesses observées
corroborer de manière étonnam- On pourrait penser qu’il suffit à terre permettent de reconsti-
3. La Chine du Nord et, au-delà, un bloc Amour à l’Est du lac Baikal semblent également indépendants.
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tuer les paramètres de glissement faille, minimisant la magnitude à
sous-marins. Grâce à des modèles 9, ne peut expliquer le champ de
déduits de la distribution de la déplacement enregistré. Allonger
déformation à terre, on peut la zone à 1 000 km, tout en tenant
raisonnablement estimer le profil compte de la courbure de la faille,
de la subduction (l’angle verti- résout le problème, mais conduit
cal de glissement d’une plaque à augmenter l’intensité de 9 à 9,2
sur l’autre), même à 500 km de (l’erreur pouvant s’expliquer par
distance, et la vitesse totale de la saturation des sismographes
convergence. et par la non-prise en compte
de l’énergie des oscillations à
très basse fréquence). Là-dessus,
Analyse l'exploitation des données des
îles Andaman pose un problème
des séismes supplémentaire, leur déplacement
ne concordant pas avec la prédic-
Lors d’un séisme, la tension accu- tion du modèle.
mulée par les plaques riveraines
d’une faille se relâche. Une onde En outre, l’analyse des données Figure 6 : Famille de courbes, indexée par
sismique de déformation élastique cinématiques des stations, donc de l’angle de la subduction, permettant de
calculer les déformations en fonction de la
se propage radialement depuis leur vitesse instantanée, fait ressor- distance à la faille (ici pour une profondeur
l’épicentre à la vitesse de 4 à tir une chronologie particulière : si de blocage de 50 km).
7 km/s et entraîne avec elle un la rupture initiale se propage effec-
déplacement quasi-instantané des tivement à 3,7 km/s vers le nord- région de Phuket, ces ondes sont
terrains, qui s’amoindrit au fur et ouest, elle semble marquer une arrivées en concordance de phase,
à mesure que l’onde progresse et pause de 30 secondes à environ ce qui a occasionné un renforce-
dissipe son énergie. L’analyse du 8° de latitude nord, puis repart ment du phénomène de raz-de-
champ des déplacements élémen- à une vitesse réduite de 1,8 km/s marée. D’autres endroits ont, au
taires issu du GPS permet de vers le nord. La conclusion qui contraire, été relativement épar-
reconstituer a posteriori le scénario s’impose est qu’il s’est produit en
exact du séisme, voire de détec- réalité deux séismes : le premier,
ter certaines incohérences par entre la plaque de la Sonde et
rapport aux versions purement celle de l’Australie, a concerné
sismologiques. environ 800 km, jusqu’au point
triple Sonde/Australie/Inde ; là, il
Dans le cas du séisme de l’est s’est interrompu, mais l’énergie
de Sumatra du 26 décembre libérée a entraîné une deuxième
2004, estimé à 9 en magnitude de rupture consécutive, cette fois sur
moment 4 (pour comparaison, environ 450 km, entre les plaques
cela équivaut à une énergie de de l’Inde et de la Sonde, au niveau
l’ordre de 1022 joules ; les 0,01 % des îles Andaman.
dégagés sous forme d’onde sismi-
que correspondent à l’explosion Ce double séisme a provoqué des
d’une bombe de 300 mégatonnes), mouvements verticaux (surrec-
les déplacements, avant le séisme, tion/subsidence) de l’ordre de
des stations permanentes de la plusieurs mètres, qui ont donné
zone voisine de la faille variaient naissance à deux ondes de raz-
entre 3 cm/an et quelques mm/an de-marée séparées dans l’espace
suivant leur éloignement. Le jour et dans le temps. Ces ondes de
du séisme, instantanément, ces déplacement de l’océan, à très
stations se sont déplacées dix basse fréquence (donc quasiment
fois plus (Shanghaï, à 6 000 km insensibles en pleine mer) se
de là, a enregistré un saut de sont propagées radialement à des Figure 7 : Synthèse de l’accumulation des
tensions et des déformations le long de
4 mm). L’hypothèse initiale d’une vitesses de plusieurs centaines la plaque de la Sonde, avant le séisme de
rupture de 450 km le long de la de kilomètres par heure. Dans la fin 2004.
4. Personne n’utilise plus l’échelle de Richter, en particulier pour les séismes majeurs. On parle de « magnitude de moment » d’après la formule
de Kanamori qui relie la puissance du séisme à la taille de la faille qui a rompu.
Géomatique Expert - N° 65 - Octobre-Novembre 2008 33
gnés : les ondes y sont arrivées en
opposition de phase, le relief sous-
marin a minimisé la violence de la
vague, ou bien ils étaient protégés
par d’autres terres émergées plus
proche de l’épicentre.
Prévision
des séismes
Lorsqu’une section unique d’une
subduction se rompt, il est
« logique » de supposer que les
autres segments se trouvent
fragilisés et vont finir par céder à
leur tour. C’est bien ce qui s’est
Figure 8 : Champ de déplacement enregistré lors du séisme du 26 décembre 2004 (deux passé dans le cas de la plaque de
échelles différentes).
la Sonde, puisque d’autres séismes
importants ont suivi celui du 26
décembre 2004 : celui de Nias,
le 28 mars 2005 (magnitude 8,7),
puis celui de septembre 2007
(magnitude 8,4), dont les épicen-
tres respectifs se trouvaient tous
deux plus au sud.
Deux questions se posent à
l’heure actuelle : la première
est de savoir où va se produire
le prochain séisme. La faille se
prolonge, en effet, d’une part au
large de Java vers le sud et, d’autre
part, vers le nord en direction
du Bangladesh. Or, les terres
émergées du delta du Gange
Figure 9 : Importance du glissement (à gauche) et vecteurs de déplacement associés. Dans sont extrêmement basses et très
la zone cerclée de noir, au point triple Sonde/Australie/Inde le glissement s’inverse. Il s’agit
donc de deux séismes distincts. peuplées, un raz-de-marée dans la
région du Golfe du Bengale serait
donc potentiellement très meur-
trier. L’autre question en suspens
concerne un segment de subduc-
tion au large de la ville de Padang
(à Sumatra, sur l’équateur), qui n’a
pas encore bougé (les séismes se
sont produits au nord et au sud
de cette zone d’environ 200 km).
Deux hypothèses peuvent expli-
quer ce comportement :
Ou bien, à cet endroit, la visco-
sité (ou la résistance) des plaques
culmine, ce qui provoque un
blocage plus important qu’ailleurs ;
si cette hypothèse est correcte,
cela signifie que la rupture, qui se
Figure 10 : Mouvements verticaux de terrain provoqués par le séisme (gauche) et amplitude produira tôt ou tard, risque d’être
initiale des ondes raz-de-marée consécutives (droite). d’une rare violence ;
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Ou bien, à l’inverse, la zone en l’ordre de 10 cm/an juste après
question est constituée de terrains un séisme comme celui de 2004,
plus meubles, ou mieux lubrifiés, à 400 km de la faille) suivant une
et glisse quasi-librement sans courbe en forme de logarithme.
accumulation de contrainte, ce Cette courbe se prolonge sur des
qui signifierait l’absence de risque durées importantes, parfois plus
sismique dans cette région. de trente ans dans le cas du rift
érythréen, ou du séisme de 1960
Quel est le scénario réel ? au Chili. Quelle interprétation
L’ambiguïté doit être tranchée donner alors aux mesures GPS ?
grâce à l’installation dans la À un instant t, sans historique,
zone de nouvelles stations GPS mesure-t-on un déplacement
permanentes qui analyseront les tectonique, ou bien une relaxation
mouvements telluriques autour liée à un séisme ancien ?
de Padang. Toutefois, la faille
sous-marine n’est pas la seule L’étude de la relaxation tectoni-
menace qui pèse sur la ville. Les que aux environs de la Patagonie
séismes océaniques semblent a conduit à la découverte de Figure 11 : Carte des séismes enregistrés
avoir réveillé la Grande faille de phénomènes curieux, et jusqu’ici dans la région de Sumatra depuis 2004,
avec les risques potentiels de nouveaux
Sumatra (faille de cisaillement), inconnus. Tout d’abord, certai- tremblements de terre.
située à l’intérieur de l’île, et dont nes stations exhibent un mouve-
le regain d’activité s’est traduit par ment chaotique, avec des vitesses sition de plusieurs composantes
quatre séismes de l’ordre de 6 en de déplacement variables, qui cinématiques erratiques. D’autres
à peine 18 mois. semblent provenir de la superpo- enregistrements issus de stations
situées au large de Vancouver ont
mis en évidence des mouvements
de glissement étalés sur des durées
pouvant atteindre plusieurs jours :
il s’agit de séismes « lents », dont
l’ampleur est masquée (ils ne sont
pas enregistrés sur les sismogra-
phes classiques, et ne provoquent
aucun dégât). Dans certains cas,
ces glissements imperceptibles
se produisent périodiquement,
comme si la plaque était le siège
d’oscillations de relaxation. Ces
mouvements jusqu’ici inobservés
n’ont, pour l’instant, pas reçu d’ex-
Figure 12 : Exemple de mouvements de relaxation suite au séisme d’avril 2007 dans le plications satisfaisantes.
fjord d’Aysen en Patagonie.
Phénomènes
de relaxation
Lors d’un tremblement de terre,
les bordures des plaques concer-
nées se déplacent instantanément,
ce qui correspond à la libération
des tensions accumulées depuis le
séisme précédent. Ce mouvement
brutal est suivi, sur une période
bien plus longue, de déplacements
lents correspondant à des déforma-
tions de relaxation (amortissement
visqueux). Ceux-ci se caractérisent Figure 13 : Exemple de mouvements de glissement périodiques, suffisamment lents pour
par une vitesse décroissante (de passer inaperçus aux yeux de la sismologie « classique ».
Géomatique Expert - N° 65 - Octobre-Novembre 2008 35
Questions subsidiaires
Géomatique Expert : Pourquoi ne pas faire fluides, voire même partiellement fondues :
d’études sur les mouvements verticaux ? il y a donc convection magmatique, mais les
mouvements de terrain superficiels se font
Christophe Vigny : Il y a deux problèmes sans heurts et sans formation de plaques.
avec les mouvements verticaux. Le premier À l’inverse, Mars, planète plus petite que
a trait à l’incertitude du positionnement GPS, la Terre, a déjà dissipé toute sa chaleur
qui est beaucoup plus importante qu’avec les interne ; elle n’a donc plus de magma et plus
mouvements horizontaux. Le second est de de mouvements convectifs internes. Il reste
savoir de quoi on parle : les mouvements toutefois des traces d’une activité volcanique
verticaux peuvent être dus à une multitude martienne, qui prouve que jadis la situation
de facteurs, au premier rang desquels la était différente.
météorologie (surcharge atmosphérique
ou hydrologique du sous-sol) . Filtrer les Géomatique Expert : Haroun Tazieff avait, à
données pour isoler le signal utile relève du l’époque, prophétisé un grand tremblement
défi. Pratiquement, la position verticale est de terre dans la région de Nice. Qu’en est-il
très difficile à exploiter. exactement ? Et le fameux « Big one » que
l’on annonce depuis bientôt cent ans dans
la région de Los Angeles ?
Christophe Vigny : Cela montre à quel
point prédire et prévoir sont des choses
différentes. Prédire, c’est simplement remar-
quer qu’un séisme devrait se produire dans
une région un jour ou l’autre, la probabilité
de son occurrence augmentant de jour en
jour puisque les déformations croissent avec
le temps. Prévoir, ce serait en donner la date,
ce que l’on ne sait pas faire.
L’exemple du séisme de Parkfield en Californie
est éclairant : sur cette portion de faille, six
séismes très similaires se sont produits en
1857, 1881, 1901, 1922, 1934 et 1966. Il est
tentant de déduire que le système se charge
Christophe Vigny, chercheur au laboratoire de géologie et rompt en moyenne tous les 23 ans, avec
de l’École normale supérieure. une déviation maximum de dix ans. Ainsi, le
suivant (après 1966) était attendu pour 1989
Géomatique Expert : Pourquoi la tectonique (1999 au plus tard). Or, il s’est produit le 28
est-elle propre à la Terre, et ne concerne septembre 2004. Alors, succès ou échec de
pas les autres planètes « telluriques » que la prévision ?
sont Vénus et Mars ?
Donc oui, à Nice, comme à Los Angeles,
Christophe Vigny : Vénus est plongée dans un tremblement de terre finira bien par se
une atmosphère extrêmement dense et produire. Attention ! majeur en Californie (en
chaude (400°C, 90 atmosphères). Il est aussi fait San Francisco), relativement faible à Nice ;
possible qu’elle soit légèrement plus jeune cela se déduit de l’analyse des séismes passés,
que notre Globe, donc que son intérieur soit de l’étude des failles et de l’accumulation de
plus chaud. Quoi qu’il en soit, ces conditions déformation. Mais quand ? À cette question,
infernales rendent les roches vénusiennes plus nul ne sait répondre.
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