Japon : des scientifiques ont analysé la cicatrice laissée par le mégaséisme de 2011

Ils étaient enveloppés d'une obscurité oppressante. Le soleil avait disparu depuis longtemps, à des kilomètres au-dessus d’eux. Les sédiments du fond marin scintillaient dans les phares du submersible et des poissons curieux tournaient autour de leur navire, visibles à travers de minuscules fenêtres.

Naviguer prudemment dans des eaux noires comme de l'encre était un peu comme « conduire une voiture à minuit sur une route de montagne », explique Hayato Ueda, géoscientifique à l'université de Niigata, au Japon et l'un des deux occupants du sous-marin.

Ueda et le pilote, Chris May, ont traversé l'obscurité dans leur vaisseau étriqué et ont fini par voir émerger, dans l’ombre, un imposant monument géologique : une falaise de vingt-cinq mètres de haut s’élevant dans l'océan. La crête exposée d'une faille cataclysmique dans la croûte terrestre, exactement à l'endroit prédit par Ueda, à l’origine de l'une des pires catastrophes de l'histoire moderne.

Cette falaise est une cicatrice du tremblement de terre de Tōhoku qui s’est manifesté en 2011, au large des côtes est du Japon. Cette année-là, le 11 mars, le séisme de magnitude 9,1 survenu dans les profondeurs de l'océan Pacifique a déclenché un tsunami catastrophique qui a frappé le pays, tuant environ 20 000 personnes et laissant derrière lui un demi-million de personnes sans-abris.  

Au cours de la dernière décennie, des scientifiques ont étudié ce séisme en décryptant ses ondes sismiques et en scannant les profondeurs à l’aide d’un sonar. Cependant, comprendre en détails les raisons de ce tremblement nécessitait d’examiner en personne une partie du site de rupture, dans la fosse du Japon, à presque huit kilomètres sous la surface, ce qui semblait au départ impossible. 

Pourtant, en 2022, des scientifiques ont mené à bien cette mission ambitieuse. Ils ont obtenu les services d’un véhicule de submersion profonde (DSV), le Limiting Factor, un sous-marin habilité à transporter des personnes en toute sécurité jusqu’aux fond marins écrasants où personne ne s’aventure. 

En s’enfonçant dans la fosse du Japon, les plongeurs ont fini par trouver la falaise incongrue. Comme l'indique une étude publiée dans la revue Communications Earth and Environment, l'équipe a déterminé que cette falaise constituait le sommet d'une section d'un morceau de croûte terrestre qui s’était soulevée de plus de soixante mètres lors du tremblement de terre de 2011. 

Ce sommet semble être « le point le plus haut de la faille qui a causé ce violent séisme », déclare Harold Tobin, le directeur du Pacific Northwest Seismic Network de l’université de Washington, qui n’a pas participé à l’étude. « À cet endroit, le sommet est complètement remonté à la surface et a tout soulevé avec lui. Et ils l'ont identifié, ils l'ont reconnu directement sur le terrain. C'est incroyable. »

De telles caractéristiques de soulèvement ont déjà été observées sur Terre, mais c'est la première fois que les humains en observent une dans une fosse de zone de subduction en eaux profondes. Cela « ne ressemble à rien de ce qui a été observé par la science auparavant », déclare Christie Rowe, géologue spécialiste des tremblements de terre à l'université McGill, qui n'a pas participé à l'étude.

COMPRENDRE LES MÉCANISMES DU DÉSASTRE

L'ensemble de cette rupture s'est produit sur une vaste section de l'abîme. Pour que le sol se soulève à ce point, la faille responsable s’est probablement déplacée de 100 mètres près de l'épicentre lors du séisme, ce qui constitue le plus grand mouvement de faille de ce type jamais enregistré. La falaise violemment déracinée qui en a résulté est l'une des raisons pour lesquelles le tremblement de terre a provoqué un tsunami catastrophique. 

La localisation de ce mégaséisme n'est pas si surprenante. La fosse du Japon est une véritable machine à séismes. Depuis 1973, neuf secousses d'une magnitude supérieure à sept s’y sont produites. Ces secousses fréquentes sont dues au fait que la fosse est une zone de subduction, où la plaque tectonique du Pacifique, colossale, est poussée sous la microplaque d'Okhotsk.

Malgré cela, le tremblement de terre de 2011 s’est avéré étonnamment puissant. Il a frappé légèrement à l'ouest de la fosse du Japon, à environ trente mètres sous le plancher océanique, provoquant une rupture gargantuesque sur une zone de 60 000 kilomètres carrés. Les ondes sismiques générées par le séisme et la cartographie sonar réalisée par des navires avant et immédiatement après le tremblement de terre suggèrent que la faille en question s'est déplacée de 320 kilomètres, une mesure qui semble incroyable mais qui est pourtant encore inférieure à ce que la récente expédition a permis d'établir.

« Le tremblement de terre de Tohoku a manifestement marqué un tournant majeur. Il a changé la donne à bien des égards », explique Tobin. L'élucidation du comportement de cette faille est importante non seulement pour le Japon, mais aussi pour toutes les régions du monde qui seront un jour touchées par un tsunami déclenché par une zone de subduction, notamment le nord-ouest du Pacifique des États-Unis, inondé par un tsunami majeur il y a trois siècles.

La secousse géologique au Japon semblait si extrême que les scientifiques ont voulu en trouver des preuves physiques sur le site même. « C'est le travail que ferait un géologue sur le terrain », explique Tobin, « mais il s'agit ici d'un site situé à huit kilomètres sous la surface de l'eau. À ces profondeurs où la pression est élevée, la plupart des submersibles, y compris les robots, fonctionneraient mal ou imploseraient. »

Le DSV Limiting Factor a été conçu spécialement à cet effet par le fabricant Triton Submarines à la demande de Victor Vevosco, un investisseur, ancien officier de marine et explorateur sous-marin, propriétaire du submersible. Ce vaisseau très résistant pour deux personnes peut plonger jusqu'à 60 000 mètres de profondeur, ce qui en fait l'un des seuls submersibles permettant de s'aventurer dans la fosse du Japon.

« C'est un sous-marin incroyable », estime Tobin.

LUMIÈRES SUR L’ABÎME

En septembre 2022, alors qu’ils voguaient sur les eaux bleu nuit du Pacifique à bord du navire de soutien DSSV Pressure Drop, Ueda et ses collègues ont consulté leurs cartes géologiques et bathymétriques. « Je devais décider de l’endroit exact où le submersible allait se poser », explique-t-il. « J’ai alors attentivement analysé la topographie sur la carte et sélectionné la localisation où il était le plus probable de voir la faille. »

Un X traditionnel était inscrit sur la carte. L’équipage était prêt. Le 4 septembre, Ueda et le pilote Chris May se sont installés sur les sièges exigus du DSV Limiting Factor et ont entrepris leur exploration des profondeurs. 

Au bout de plusieurs heures, ils ont atteint le plancher océanique de la fosse du Japon. Ueda s’était déjà rendu dans les profondeurs océaniques auparavant mais jamais il n’était descendu aussi bas dans un endroit aussi sombre. Au cours de leur exploration, des caméras montées à l’extérieur du submersible ont filmé leur traversée, notamment leur approche de la falaise de vingt-cinq mètres qui s’est créée lors du séisme en 2011. 

« En remontant vers la surface, j’ai eu un long moment, je ne me rappelle pas exactement combien de temps, peut-être deux heures ou plus, pour réfléchir à ce que je venais de voir », se souvient Ueda. En regardant les vidéos de l’exploration, son hypothèse s’est confirmée, il s’agissait bien d’un escarpement de faille, une partie de la fissure en surface, causée par le tremblement de terre et qui provoque un changement d'élévation. 

Cependant, la falaise ne constituait que le sommet du soulèvement. Afin de bien mesurer l'ampleur du phénomène, le submersible est remonté jusqu'à son point le plus haut. Au cours de son ascension, ses capteurs de pression ont été utilisés pour calculer la différence de hauteur entre le plancher du bassin et le sommet de la falaise. Selon l'étude, cette différence, soit le déplacement vertical du plancher océanique à cet endroit lors du mégaséisme de 2011, était de soixante mètres.

Le plancher océanique s’est probablement soulevé le long de nombreuses parties de la gigantesque rupture dans le Pacifique, mais cette section a fait un bond de la hauteur d'un immeuble de quatorze étages. « Ce déplacement est au moins en partie à l'origine du tsunami », explique Tobin.

LE TREMBLEMENT DES PROFONDEURS 

Ces nouvelles informations ont permis à l’équipe d’estimer que la faille s’était déplacée de quatre-vingts à cent-vingt mètres au total à cet endroit lors du séisme, une distance stupéfiante, presque le double de ce qui avait été suspecté. 

Pour Judith Hubbard, spécialiste des tremblements de terre à l'université de Cornell, qui n'a pas participé à l'étude, il s’agit d’un calcul raisonnable. Néanmoins, la reconstitution de la géométrie des failles sur la terre ferme est compliquée et le même travail sur les fonds marins l'est d’autant plus. En outre, en termes de tectonique, cette partie de la croûte terrestre est un véritable cauchemar. « Il s’agit d’une zone très complexe où énormément de choses se passent », explique Hubbard.

Surtout, les chercheurs « n'ont pas exagéré leurs affirmations », affirme Tobin, qui considère que les preuves sont directes, solides et claires. Les scientifiques savaient que le glissement de la rupture de 2011 était impressionnant. « Ce dossier est le plus précis qu'il soit possible d'obtenir », affirme-t-il.

Le tremblement de terre de 2011 garde toujours une grande part de mystère. Ce site représente seulement une petite partie d’une longue ligne de rupture dont chaque section a eu une réaction différente aux secousses puissantes survenues sur la faille. « Il est difficile de se faire une idée claire et de raconter la catastrophe entière. »

Cette étude constitue déjà une nouvelle référence dans le décodage des profondeurs et des énigmes autour des mégaséismes en zones de subduction. « Je ne savais pas qu'il était techniquement possible » d'effectuer ce voyage jusqu'au fond de la mer, déclare Rowe. « Je suis très motivé. J'ai l'impression d'être un astronaute. »

Ces recherches permettront de mieux protéger les côtes japonaises et serviront sans aucun doute d’aide scientifique à d'autres pays côtiers. Au cours des deux dernières décennies, un nombre croissant de systèmes d'alerte de détection rapide aux tsunamis ont été installés dans les océans du monde entier. Ces systèmes captent les ondes sismiques des tremblements de terre aquatiques et les analysent rapidement.

Cependant, les scientifiques sont parfois encore surpris. Il est possible de prévoir un tsunami mais ce dernier peut être considérablement plus ou moins puissant que prévu, voire ne pas se produire. La question la plus importante est celle de « la taille de l’escarpement sur le plancher océanique, car c'est elle qui déclenche le tsunami », explique Rowe.

Se servir de cette étude et d’autres recherches afin d’améliorer les modèles de prévision des tsunamis pourrait renforcer les efforts visant à épargner des vies lors de futures catastrophes géologiques. 

« Pouvoir observer de telles caractéristiques aussi importantes que personne n’avait encore vues était merveilleux. Je me sens privilégié de l’avoir fait », dit Ueda. Il raconte cependant sa découverte en faisant sombrement remarquer que « c'est peut-être cette falaise qui a coûté la vie à plus de 20 000 personnes. »