La serpentine, une roche incriminée dans la formation des séismes

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Une roche du manteau terrestre, la serpentine, participe à la formation des zones de subduction, qui sont les régions sismiques les plus dangereuses au monde. Sa présence conditionnerait la répartition géographique des séismes.

C'est ce que suggèrent les études menées par une équipe du laboratoire des Sciences de la Terre (CNRS / ENS Lyon / Université Lyon 1), en collaboration avec des chercheurs du synchrotron américain APS (1) et du Laboratoire de structure et propriétés de l'état solide (CNRS / Université Lille 1 / Ecole nationale supérieure de Chimie Lille). La serpentine est formée jusqu'à 200 km de profondeur, c'est-à-dire là où se produisent les séismes les plus meurtriers. Les scientifiques ont clairement mis en évidence son implication dans la répartition des forces à l'origine des séismes. Publiés le 21 décembre dans Science, ces résultats (2) permettraient une meilleure compréhension de certains phénomènes géologiques majeurs, telle la répétition des séismes.

Les roches de la croûte et du manteau terrestre (3) présentent d'ordinaire une forte rigidité. Mais, lorsqu'elles sont exposées à certaines conditions de température, de pression ou de temps, elles peuvent se comporter comme des fluides. Tel est le cas pour des températures élevées, associées, bien souvent, à de longues échelles de temps (au-delà du millier d'années). Et, dès lors que ces roches sont soumises, dans des zones froides, aux mouvements de la tectonique des plaques (dérive des continents), elles peuvent devenir cassantes. Quand une telle rupture se produit au niveau des failles, un séisme en résulte.

Une chose est sûre, les lieux où les roches deviennent cassantes sont bien localisés : il s'agit des endroits situés à proximité de la surface (jusqu'à 100 km de profondeur) ou, plus profondément, dans des zones particulières appelées zones de subduction. Là, le tapis des fonds océaniques froids s'enfonce sous le manteau. Ces zones constituent, en outre, les régions les plus dangereuses du globe en termes d'activité sismique et volcanique (Antilles, Sumatra, Japon, ...). En témoigne le douloureux souvenir du tsunami du 26 décembre 2004, engendré par un séisme de magnitude 9 au large de Banda Atjeh (nord de Sumatra).

L'altération des roches du manteau (ou péridotites) est à l'origine d'une nouvelle roche vert sombre, la serpentine. Celle-ci se forme à deux endroits : dans les fonds marins, par interaction avec l'eau de mer qui circule dans des réseaux de failles, sous la croûte océanique, et dans les zones de subduction, à la surface de la croûte océanique plongeante. C'est pourquoi les géologues ont longtemps supposé d'une part, que la serpentine est une roche qui se déforme plus facilement que les autres, et, d'autre part, qu'elle joue un rôle primordial dans les déformations observées au niveau des zones de subduction.

La déformation de la serpentine étudiée sous toutes les coutures

S'associant à des scientifiques du synchrotron APS (près de Chicago) et du Laboratoire de structure et propriétés de l'état solide (4), une équipe du laboratoire de sciences de la Terre (5) dirigée par Bruno Reynard, directeur de recherche au CNRS, a éprouvé ces suppositions. Pour cela, les chercheurs ont mesuré les propriétés mécaniques de la serpentine dans des conditions de pression et de température correspondant à environ 100 km de profondeur (profondeur moyenne dans les zones de subduction). Ils ont combiné deux instruments : une presse de très gros volume (6) ainsi que le faisceau de rayon X très lumineux produit par APS. La radiographie de l'échantillon a permis de mesurer ses variations de longueur (déformation). De plus, les clichés de diffraction ont servi à déterminer la contrainte(7) que la serpentine subit. En reproduisant ces expériences à différentes conditions de pression (proportionnelle à la profondeur), de température et de contraintes, les chercheurs ont établi la loi régissant la déformation de la serpentine et ont, dans le même temps, déterminé sa viscosité.

La serpentine, une roche du manteau plus malléable que les autres

Confirmant la faible viscosité de la serpentine, ces travaux offrent deux conclusions majeures. Tout d'abord, la serpentine constitue une zone de faiblesse et peut être à l'origine, encore controversée, de la formation des zones de subduction. D'autre part, cette roche peut s'écouler à des températures beaucoup plus basses que les autres roches du manteau terrestre qui sont, dans les mêmes conditions, cassantes. Aussi, la rupture sismique ne pourra pas se produire ou se propager lorsqu'une couche de serpentine est présente à la surface de la plaque océanique. Bilan, la présence de serpentine conditionne la répartition des séismes. Autre observation, la capacité de la serpentine à "absorber" les contraintes qui agissent au sommet de la plaque océanique plongeante explique certaines événements sismiques "lents" et "silencieux" découverts il y a une dizaine d'années, tels les mouvements lents de la plaque, qui déterminent la répétition des séismes dans le temps. Celle-ci serait donc régulée par la serpentine.

Ces résultats apportent des données essentielles pour mieux comprendre l'évolution générale des zones de subduction à différentes échelles de temps. Ils éclairent d'un jour nouveau des phénomènes géologiques essentiels, de la répétition des séismes (période de quelques jours à quelques années) à la dérive des continents (de l'année à la centaine de millions d'années).

En savoir plus

Références

High-Pressure Creep of Serpentine, Interseismic Deformation, and Initiation of Subduction. Nadege Hilairet, Bruno Reynard, Yanbin Wang, Isabelle Daniel, Sebastien Merkel, Norimasa Nishiyama, Sylvain Petitgirard. Science. 21 décembre 2007.

Notes

(1) Advanced Photon Source (GSECARS, University of Chicago , USA ).
(2) Ces travaux bénéficient du financement du programme SEDIT de l'Institut national des sciences de l'univers et d'un soutien du ministère de l'Enseignement supérieur de la recherche .
(3) La croûte et le manteau sont deux couches successives constituant la structure interne de la Terre. La croûte s'étend au maximum jusqu'à 50 km de profondeur sous les continents tandis que le manteau s'étend jusqu'à 2 900 km de profondeur.
(4) CNRS / Université Lille 1 / Ecole nationale supérieure de Chimie Lille.
(5) CNRS / Ecole normale supérieure de Lyon / Université Claude Bernard Lyon 1.
(6) Cette presse est utilisée pour comprimer et déformer un échantillon de roche d'un millimètre cube.
(7) C'est l'équivalent d'une force sur une surface.

Liens

Notre dossier sur les séismes
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Auteur

Centre National de la Recherche Scientifique

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