22 000 micro-séismes ont été enregistrés en Californie entre 2016 à 2019

Début 2016, un essaim sismique a silencieusement secoué le sud de la Californie. Les séismes ne se produisaient pas tous les jours et la plupart étaient trop faibles pour être ressentis par les habitants de la région mais mois après mois, les secousses continuaient de gronder tout en se multipliant.

Au printemps 2018, des milliers de mini-séismes se produisaient chaque mois, certains suffisamment puissants pour faire valser les lampes et inquiéter les résidents des villes voisines. Ces quatre dernières années, plus de 22 000 secousses ont été recensées. Pourtant, l'origine de cette étrange activité restait un mystère.

Grâce à de nouvelles images de l'essaim sismique à la résolution sans précédent, des scientifiques ont pu identifier une cause probable. Leurs résultats pourraient aider les géologues du monde entier à démêler les lois physiques sous-jacentes aux séismes, qu'ils soient faibles ou puissants. En allant plus loin, des travaux similaires pourraient même permettre d'améliorer les systèmes de surveillance sismique en temps réel.

Pour cette analyse, les chercheurs ont eu recours à un algorithme informatique afin de déterminer la localisation des micro-séismes. Ils ont ainsi créé un portrait riche en détail de l'activité de l'essaim sismique le long d'un réseau de fractures tentaculaire. Ces images révélatrices de la progression de l'essaim suggèrent que la succession de séismes aurait été déclenchée par l'injection naturelle de fluides dans le système de failles. Les travaux des scientifiques laissent entendre que ces fluides seraient également impliqués dans d'autres essaims détectés à travers la planète et leur méthode pourrait se montrer utile dans l'amélioration des analyses sismiques mondiales.

« Les détails sont impressionnants, » déclare la sismologue externe à l'étude Elizabeth Vanacore, du Puerto Rico Seismic Network de l'université de Puerto Rico à Mayagüez. « Ce type d'étude est à la pointe de la technologie et incarne vraiment la direction prise par la science à l'heure actuelle. »

DÉTECTION D'UN ESSAIM

Les fissures dans la croûte terrestre apparaissant le long d'une ligne de faille étaient autrefois considérées comme des structures simples mais « en réalité, les zones de faille sont des régions hautement complexes, » témoigne Emily Roland, sismologue spécialiste des fonds marins à l'université de Washington, non impliquée dans l'étude. Certaines failles sont courbées alors que d'autres s'entrecroisent sous le sol. Les fractures analysées dans cette nouvelle étude s'entremêlent pour former un labyrinthe souterrain qui s'étend sur plusieurs kilomètres.

L'essaim sismique qui a révélé cette structure complexe était passé inaperçu jusqu'en 2017, lorsqu'un e-mail envoyé par un citoyen curieux est apparu dans la boîte mail du Southern California Seismic Network Data Center. Il demandait des informations sur un ensemble de micro-séismes survenus dans une zone faiblement peuplée de l'état.

Un rapide coup d'œil à la région n'avait rien révélé d'extraordinaire, se souvient Zachary Ross, géophysicien à Caltech et auteur principal de l'étude publiée le 18 juin dans la revue Science. Située à une quinzaine de kilomètres de la faille de San Jacinto, la zone subit régulièrement de petits tremblements de terre. Cependant, en s'intéressant de plus près à l'historique sismique de la région, les chercheurs ont réalisé que l'auteur de l'e-mail tenait bel et bien quelque chose : près d'un an plus tôt, en 2016, un essaim sismique avait vu le jour le long de la frontière avec la réserve amérindienne Cahuilla Band of Mission Indians.

De tels essaims de petits séismes sont à distinguer des séismes plus importants qui suivent la plupart du temps un schéma familier : un événement de grande intensité ou choc principal, suivi d'une série de répliques dont la magnitude et la fréquence diminuent sur un laps de temps donné.

Les essaims sismiques sont une tout autre créature géologique. La progression de ces événements ne suit pas tellement de logique prédéfinie et ils se composent parfois de centaines, voire de milliers de séismes faibles ou modérés mais de tailles similaires. La plupart des essaims prennent la forme d'une série de secousses étalées sur plusieurs heures, jours ou même mois. À Puerto Rico, où ils sont particulièrement fréquents, ces sursauts durent généralement entre 36 et 48 heures, nous informe Vanacore.

Alors que bon nombre d'essaims sont associés aux volcans bouillonnants, d'autres traversent des paysages sans le moindre signe significatif d'activité. Le potentiel destructeur de ces événements varie fortement. L'essaim de Cahuilla a généré des séismes à intervalle régulier entre 2016 et l'année dernière mais ils étaient tous en demi-teinte et n'ont jamais provoqué de dégâts considérables en quatre ans.

« Leur origine et leur cause sont matière à débat, » indique Abhijit Ghosh, sismologue au sein de l'université de Californie à Riverside, non impliqué dans l'étude.

Pour l'étude en profondeur de ces événements, les scientifiques avaient besoin d'une technique pour identifier l'ensemble des petites secousses dans le vaste nuage de données sismiques. Ces dernières années, Ross et ses collègues ont élaboré de nouvelles méthodes de détection et de surveillance des séismes en exploitant la puissance du machine learning, ou « apprentissage automatique ». En entraînant les algorithmes d'un réseau neuronal à l'aide de données sismiques étiquetées par des experts en chair et en os, la machine apprend à reconnaître de petits tremblements de terre dans les gribouillis chaotiques des sismomètres.

« Nous avons décidé de lâcher la machine sur la base de données correspondant à l'essaim de Cahuilla, » plaisante Ross.

UN LABYRINTHE SOUTERRAIN

Le résultat est un aperçu remarquablement complexe de l'évolution de l'essaim de Cahuilla. Les chercheurs en ont déduit qu'un réservoir de fluides, comme de l'eau ou du dioxyde de carbone liquide, s'étalait sous la structure de faille. Pendant de nombreuses années, ce fluide est resté isolé du système de faille mais en 2016 un événement est venu briser la barrière rocheuse, provoquant l'injection de fluide dans la faille, la variation des pressions du système ainsi que la lubrification des fissures, ce qui a donné naissance aux premières secousses de l'essaim à 8 km de profondeur environ.

Au cours des mois suivants, l'essaim a quitté cet étroit point de départ pour se rapprocher lentement de la surface. À partir de là, un front d'ondes sismiques s'est propagé à travers les fractures souterraines dans la roche, rappelant précisément la façon dont se propagent les fluides. Certaines trajectoires du front sismique ont fini par s'éteindre, peut-être lorsque le fluide atteignait l'extrémité d'une fissure. À d'autres moments, les secousses semblaient s'arrêter sur une bordure, pour ensuite se déplacer de côté et reprendre leur trajectoire, comme une rivière contournant un rocher.

En août 2018, près de trois ans après la naissance de l'essaim, une barrière particulièrement robuste semblait bloquer l'ascension du fluide. Après un changement de direction, les secousses avaient trouvé une nouvelle trajectoire et repris leur chemin vers la surface. C'est à ce stade que l'écoulement aurait déclenché le plus grand séisme mesuré dans l'essaim, un événement de magnitude 4,4 qui aurait été ressenti par quiconque se trouvait juste au-dessus. Cette secousse a agi comme « un coup de pied dans le système, » illustre Ross, en déclenchant une série de séismes plus petits dans une dernière explosion d'énergie avant la mort de l'essaim.

Dans l'ensemble, l'étude dresse un portrait convaincant du phénomène de propagation des fluides dans une faille à l'origine d'un épisode sismique long de quatre années à travers les roches enfouies sous le sud de la Californie. Des injections de fluides du même type pourraient provoquer d'autres essaims à travers la planète, bien qu'il existe probablement de multiples causes à ces séries de secousses.

« Chaque essaim, chaque zone a ses propres bizarreries, sa propre identité, » déclare Vanacore. Par exemple, les essaims de Puerto Rico ont plutôt tendance à se propager loin sous la surface et pourraient être le résultat d'une déchirure dans la plaque tectonique à mesure qu'elle rejoint les entrailles de la Terre.

L'étude offre également un bon exemple de la façon dont les géologues pourraient utiliser l'apprentissage automatique pour peindre le portrait détaillé des royaumes souterrains de notre planète, où chaque séisme serait le point d'une œuvre pointilliste. En s'intéressant uniquement aux séismes majeurs, seuls des nuages de points apparaissent mais en intégrant également les plus petites secousses, on verrait émerger le portrait tout en complexité des propriétés physiques qui régissent chaque rouage de la Terre.

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.