Section 18 Terre et planètes telluriques : structure, histoire, modèles

4. Aléas, risques et catastrophes telluriques

Notre compréhension des forçages internes et externes contrôlant les événements telluriques (séismes, éruptions, glissements de terrain) repose à la fois sur notre capacité d'observation et sur notre aptitude à développer des modèles adaptés pour interpréter ces observations. Récemment de nouvelles techniques d'observation se sont développées, comme la tomographie par muons. De plus, ces dernières années ont été marquées par une amélioration de la densité spatiale et temporelle des mesures avec la multiplication des réseaux de capteurs (sismomètres, GPS) et l'apport complémentaire et essentiel de la télédétection. De nouvelles données optiques (Pléiades) sont disponibles pour construire des modèles numériques de terrain, faire des études structurales ou quantifier la déformation par corrélation d'images. Les données de spectro-radiométrie satellitaire se sont également montrées essentielles dans le suivi des panaches de gaz ou de cendres lors des récentes éruptions volcaniques et la gestion de leur impact sur le trafic aérien ou la qualité de l'air. Par ailleurs, les données Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO), essentiellement utilisées pour quantifier les déplacements de surface, ont vu leur résolution temporelle s'améliorer et peuvent maintenant avoir une résolution spatiale de l'ordre du mètre qui s'approche de la résolution atteinte en optique. Afin de bénéficier pleinement de l'explosion attendue du volume de données disponibles du fait des nouvelles missions (Sentinel, ALOS-2), il est aujourd'hui nécessaire d'adapter les capacités informatiques de stockage et les chaînes de traitement. Les développements méthodologiques sur le traitement de ses données ont également progressé. Par exemple, l'utilisation du bruit de fond sismique, pour imager les variations de vitesse de propagation, s'est poursuivie avec un travail sur la coda des corrélations de bruit sismique et nous donne maintenant accès à des variations spatio-temporelles fines de la vitesse et de la diffraction qu'il faut interpréter en termes de variations de propriétés physiques du milieu. Les progrès dans la modélisation du bruit sismique généré dans les océans permettront également d'améliorer ces méthodes de monitoring.

Les avancées techniques et méthodologiques dans l'instrumentation fond de mer permettent d'élargir considérablement le domaine d'investigation des géosciences. Elles permettent de compléter les réseaux de surveillance terrestre, par exemple pour étudier l'aléa associé aux marges et aux failles actives, et plus généralement pour accéder à la dynamique des processus, par exemple de l'accrétion océanique par un suivi continu de l'activité sismique et volcanique associée ou de transferts sédimentaires sur les marges. Ces progrès concernent les dispositifs d'acquisition fond de mer ou dans la colonne d'eau, autonomes avec des enregistrements continus de longue durée par des réseaux d'instruments relevés régulièrement (sismomètres large bande, hydrophones, balises géodésiques). Certains instruments donnent des informations en temps réel avec la transmission des données à terre (antennes sismo-acoustiques, observatoires câblés) ou peuvent être de nature mixte (instruments autonomes, fixes ou dérivants, avec dispositifs de transmission à terre limités à la détection d'événements). Ils concernent aussi des capteurs (bathymétrie, gravimétrie, magnétisme, magnétotellurique, sismique) adaptés aux véhicules grands fonds télé-opérés ou autonomes, qui permettent d'envisager de travailler sur les fonds océaniques à la même résolution qu'en domaine terrestre (ex. dynamique des sites hydrothermaux, mouvements sur les failles, déplacements sédimentaires).

Il apparaît évident que les interactions entre séismes, éruptions volcaniques et glissements de terrain sont fortes. Par ailleurs, l'« éclairage » apporté par un séisme permet d'imager des propriétés rhéologiques spécifiques de certaines zones. Ainsi les données de déformation enregistrées après les derniers grands séismes ayant affecté des zones de subduction ont montré que les zones volcaniques réagissaient de manière singulière à ces perturbations du champ de contrainte avec une subsidence ou des modifications de vitesses de propagation localisées sous certains volcans en lien avec la présence de réservoirs magmatiques ou de systèmes hydrothermaux. Les dernières années ont également démontré la fragilité de nos sociétés face aux risques telluriques en raison de leur impact potentiel sur nos infrastructures (séisme de Tohoku au Japon en 2011 et son tsunami induit) ou nos moyens de transport (éruption de l'Eyjajafallajökul, Islande en 2010).

4.1. Séismes

La découverte récente des séismes lents localisés le long des frontières de plaques dans de nombreuses régions du monde a changé de façon significative notre compréhension du cycle sismique, de la zone sismique et de la transition entre le comportement cassant et ductile. Parmi les nouveaux signaux détectés, on distingue les séismes basse fréquence (low frequency earthquake ou LFE), le trémor tectonique (TT) et les événements de glissement lent (slow slip events ou SSE). La caractérisation fine de ces événements et la compréhension de leur rôle dans le cycle sismique ouvre un nouveau champ d'investigation en sismologie de la source. Il a également été découvert récemment que le passage des ondes sismiques génère des trémors tectoniques à haute fréquence le long des grandes failles décrochantes ou de subduction. Cela a par exemple été le cas le long de la faille San Andréas, lors du passage des ondes sismiques générées par le séisme de Tohoku en 2011. Il reste à découvrir ce que révèle ce trémor du comportement de la faille. D'autres types d'événements sismiques, comme les séismes d'origine glaciaire, apporteront des informations importantes sur la mécanique de la glace et sur la fonte des glaciers.

4.2. Volcanisme

Notre compréhension du transfert de magma à travers la croûte et de sa cinétique est primordiale pour la localisation des futures éruptions et l'estimation de leur volume potentiel. Les données pétrologiques, expérimentales et la modélisation ont permis de montrer que la remobilisation des réservoirs magmatiques pouvait se faire sur des échelles de temps relativement courtes par rapport à la durée de vie de ces zones de stockage. En ce qui concerne les volcans explosifs à magma différencié, le principal enjeu est de comprendre les transitions entre les phases d'activités effusives et les explosions. Il ne fait pas de doute que les gaz jouent un rôle clef dans ces transitions. Des modèles d'interprétations des signaux géophysiques (déformation, sismicité) ont été développés ; ils apportent des contraintes nouvelles sur la géométrie et les conditions de pression dans le système d'alimentation en magma. Cependant il reste encore souvent une ambiguïté entre les effets induits par la source magmatique et ceux qui sont le fait de la rhéologie du milieu encaissant dans lequel se propagent les signaux. Pour les volcans océaniques, un risque majeur associé à l'activité éruptive est la déstabilisation des flancs pouvant potentiellement déclencher un tsunami. L'étude conjointe des dépôts éruptifs à terre et en mer et leur modélisation permettent de reconstituer l'histoire éruptive à long terme des complexes éruptifs et ainsi de mieux quantifier le risque associé. Enfin, les éruptions de gros volume (>100 km3) avec formation de grande caldera n'ont jamais été observées avec les moyens de surveillance moderne de sorte que nous ne connaissons pas directement les signaux géophysiques ou géochimiques attendus. Les études statistiques, pétrologiques et la modélisation restent alors les seuls outils dont nous disposons pour appréhender ces événements catastrophiques majeurs et être éventuellement capables d'en reconnaître les signaux précurseurs.

4.3. Les glissements de terrain

Les glissements de terrain représentent un risque tectonique majeur pour les populations et les infrastructures dans les domaines montagneux, volcaniques, sismiques et côtiers. Ils ont un rôle clé dans les processus d'érosion sur terre et sur d'autres planètes et de plus en plus d'études récentes mettent en évidence leur lien avec les activités climatiques et volcaniques.

Des avancées importantes ont été faites dans la modélisation de ces processus tant d'un point de vue physique, mécanique, mathématique et numérique rendant envisageable l'évaluation plus précise de l'aléa lié aux glissements de terrain. De plus, l'analyse et l'inversion des données sismologiques large bande générées par ces glissements représentent un outil unique pour avoir des contraintes sur la dynamique des processus gravitaires à l'échelle du terrain. Le challenge est maintenant de prendre en compte les processus physiques tels que la présence de phases fluides, l'interaction entre les phases granulaires et fluides, les processus d'érosion, la fragmentation. Il sera également important d'analyser conjointement les données de terrain et les données sismologiques en termes de dynamique des écoulements.