Le volcan Kilauea, à Hawaï, est l’un des plus actifs au monde. Son éruption en 2018 a été la plus importante depuis 200 ans et l’une des catastrophes volcaniques les plus coûteuses de l’histoire des États-Unis. Aussi dévastatrice qu’elle ait été pour le paysage hawaïen, l’éruption du Kilauea s’est avérée une aubaine pour la science. Les chercheurs étaient là pour collecter des données sismiques et autres sans précédent et ont déclaré que nous pourrions les utiliser pour comprendre les contraintes qui conduisent à des tremblements de terre majeurs.
« Le Kilauea est un système sismique modèle », a déclaré Paul Segall, professeur Cecil H. et Ida M. Green à la Stanford Doerr School of Sustainability et auteur principal de l’étude. nouvelle étude Publié dans Géosciences naturelles qui exploite ces nouvelles données pour mieux comprendre les grands tremblements de terre le long des lignes de failles tectoniques, comme celui de San Andreas et d’autres.
« Le Kilauea nous donne une chance unique d’étudier de nombreux tremblements de terre sur une courte période de temps, ce qui n’est pas possible avec les tremblements de terre tectoniques avec des intervalles de récurrence de plusieurs centaines, voire milliers d’années. »
Chaque jour environ, de mai à juillet 2018, la caldeira du Kilauea – un bloc circulaire de roche solide de 8 km de diamètre et 800 m d’épaisseur pesant des millions de tonnes – s’effondrait dans un bassin de roche en fusion en contrebas, envoyant des ondes de choc.
Au fil des décennies, les scientifiques ont développé de vastes réseaux de surveillance sismique et de la déformation du sol au Kilauea. Avant l’événement et au début de l’éruption, les chercheurs ont complété ces réseaux avec des capteurs sur et autour du sommet du volcan en train de s’effondrer, fournissant ainsi une échelle d’observations jamais disponible auparavant. Ils ont utilisé des récepteurs GNSS (Global Navigation Satellite System) en temps réel, des inclinomètres au sol, des caméras, des drones et d’autres capteurs pour retracer l’effondrement étape par étape du sommet dans le réservoir de magma fondu en contrebas.
Pour la première fois, ils ont pu estimer les contraintes agissant sur le système volcanique lors de l’effondrement de la caldeira et identifier comment ces contraintes ont provoqué une série de chocs plus petits, qui se sont accélérés pour devenir des chocs plus importants et plus fréquents, aboutissant finalement à des séismes d’effondrement majeurs.
L’équipe s’est concentrée sur les 29 derniers des 62 cycles d’effondrement de sommets d’environ une journée que Kilauea a connu au cours de l’été 2018. Chaque effondrement s’est déroulé par une série de nombreux petits chocs mais s’est toujours terminé par des tremblements de terre dépassant la magnitude 5 sur l’échelle de Richter, ce qui est assez considérable. en termes sismiques.
Chaque cycle d’effondrement commençait lorsque le magma s’écoulait rapidement du dessous du sommet du Kilauea pour alimenter les éruptions à des kilomètres de distance. Le toit de la chambre magmatique – cet énorme bloc de roche solide – s’affaisserait dans le réservoir en fusion, accentuant ainsi la faille annulaire entourant la caldeira. Puis, très rapidement, il tombait – mètres à la fois – dans le réservoir, pressurisant le magma sous-jacent. Alors le cycle recommencerait.
« Nous avions des instruments GNSS sur le bloc de roche qui s’effondrait, ainsi qu’à l’extérieur de la faille annulaire. À mesure que le bloc tombait, ces instruments tombaient également et nous pouvions mesurer les changements », a déclaré le co-auteur Kyle Anderson, chercheur. géophysicien de l’US Geological Survey qui faisait partie de l’équipe travaillant sur site à Kilauea lors de l’éruption de 2018.
« L’affaissement a repressurisé la chambre magmatique et a poussé le reste du sommet vers le haut », a noté Anderson à propos de l’une des surprises de l’étude. « Les gens pensent à l’effondrement d’une caldeira comme à un effondrement de tout. Et c’est vrai pour le bloc lui-même. Mais pas pour la roche environnante lors de ces événements. »
Une séquence accélérée provenant d’une caméra située au bord de la caldeira du Kīlauea entre avril et août 2018. Environ une image a été sélectionnée par jour lorsque les conditions d’observation étaient claires. Crédit : USGS
Reconnaître les modèles
Les chercheurs ont également remarqué une autre tendance. Avant un effondrement, les contraintes croissantes exercées sur la croûte sus-jacente ont provoqué des centaines de petits tremblements de terre, appelés pré-séismes. Finalement, de grandes secousses se sont propagées tout autour de la faille annulaire de 5 miles et la calotte s’est effondrée dans le réservoir de magma. Il est important de noter que les chercheurs ont pu utiliser la montée et l’affaissement du sol à l’extérieur de la caldeira pour estimer l’histoire des changements de stress à l’intérieur du volcan.
« Sur 29 cycles, nous pouvons examiner cette variable de contrainte et la comparer à la durée des intervalles entre les séismes », a déclaré Segall, professeur de géophysique. « Plus ce stress s’accumule rapidement, plus les tremblements de terre devraient être fréquents, et c’est ce que montrent les données. »
Les chercheurs ont également découvert que les petits tremblements de terre s’accéléraient en fréquence et en intensité juste avant les tremblements de terre majeurs.
« À mesure que l’on se rapprochait du choc principal, nous avons constaté une plus grande propension à organiser des événements plus importants », a déclaré Segall. « Vous vous rapprochez d’un état dans lequel un tremblement de terre peut éclater et atteindre une taille plus importante. Au cours des 10 à 15 dernières minutes, la proportion d’événements plus importants a augmenté beaucoup plus élevée qu’au cours des 12 heures précédentes, à mesure que le système se rapprochait de ce point de rupture.
Les petits stress s’additionnent
Ce phénomène de seuil explique comment de petites augmentations de contraintes peuvent entraîner des changements spectaculaires dans la probabilité d’augmentation de la magnitude des séismes. À partir de cette idée, l’équipe de Segall a proposé un modèle, basé sur des études théoriques antérieures, de la façon dont les bosses et autres endroits rugueux sur la faille annulaire provoquent des changements dans les niveaux de contraintes localisés qui déclenchent et empêchent les tremblements de terre.
« Nous pensons que cette faille à peu près circulaire est très irrégulière », a déclaré Segall. « Après un choc principal, lorsque la contrainte devrait être faible en moyenne, nous commençons à avoir de petits tremblements de terre qui se rompent sur une certaine distance et se dirigent ensuite vers une partie défavorable de la faille. Lorsque le niveau de contrainte global augmente, les chances qu’elle surgisse. cela et la taille augmente, et vous pouvez atteindre un point où un tremblement de terre fait tout le tour de la faille et devient un tremblement de terre de magnitude 5,3 ou 5,4. »
Ces recherches pourraient être utilisées pour comprendre les tremblements de terre dans différents environnements, comme la faille de San Andreas ou la zone de subduction de Cascadia. L’équipe de Segall suggère que la rugosité physique d’une faille contrôle la probabilité qu’un tremblement de terre, une fois déclenché, se transforme en un choc potentiellement dommageable. Les chercheurs pourraient tenter de calibrer ce comportement en utilisant de petites secousses pour déterminer la probabilité d’un futur tremblement de terre dommageable dans différents environnements.
« Beaucoup des mêmes processus physiques dans les volcans sont à l’œuvre sur d’autres failles », a déclaré Segall. « Bien que nous n’allions pas prédire les tremblements de terre sur la base de nos recherches de si tôt, nous pensons que les leçons apprises et les connaissances globales sur le fonctionnement du système devraient être vraies. La question serait de comprendre suffisamment les détails pour pouvoir les appliquer dans d’autres domaines. paramètres. »
Plus d’information:
Paul Segall et al, Récurrence due aux contraintes et surtension précurseur du taux de moment lors des tremblements de terre d’effondrement de la caldera, Géosciences naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41561-023-01372-3