Le 8 Février 1843, un séisme détruit la ville de Pointe-à-Pitre en Guadeloupe aux Antilles et tue plusieurs milliers de personnes. Comment anticiper de tels événements ? En recherchant la trace des séismes passés dans les sédiments marins.
Embarquée sur 
le Pourquoi pas ? , un navire de la flotte océanographique opérée par l'Ifremer, une équipe scientifique internationale a exploré les fonds marins de la région et collecté des carottes de sédiments longues de plusieurs dizaines de mètres. 


Des chercheurs en géologie marine de l'Institut de Physique du Globe de Paris - Université de Paris, de Sorbonne Université et du Muséum National d'Histoire Naturelle partagent le quotidien des recherches en mer et du dépouillement des archives sédimentaires.


LES CHERCHEURS :

  • Nathalie Feuillet, Chloe Seibert, Gaelle Benatre, Giulia Del Manzo, Camille Huitorel, Emmelyne Mitard de l'Institut de physique du globe de Paris (voir le site de l'IPGP)
  • Eva Moreno, Lola Johannes du Muséum national d'histoire naturelle (voir le site du MNHN)
  • Benoit Caron de l'Institut des sciences de la Terre de Paris (voir le site de l'ISTEP),
  • Christian Beck de l'Université de Savoie (voir le site de l'Université de Savoie)

 

 

 

 

  • DES PLAQUES EN MOUVEMENT ET DES SÉISMES

La tectonique est une branche de la géologie qui étudie la déformation des roches, particulièrement celle des plaques solides composant la lithosphère (croûte terrestre et partie supérieure du manteau terrestre). Vers 1970, émerge une théorie scientifique : la "tectonique des plaques", amendée et confirmée au cours des années. Les plaques de la lithosphère se déplacent très lentement à des vitesses d'environ 2 cm/an. Des pans entiers disparaissent dans les fosses océaniques et les zones de subduction, et puisque la Terre ne diminue pas de volume, la lithosphère se forme ailleurs, au niveau des dorsales. 

(image avec légende)
Représentation des 14 plaques de la Terre avec la plaque caraïbe au centre en rose. @N.Feuillet/IPGP



Guadeloupe, Martinique et séismes

Aux Petites Antilles, les plaques tectoniques sud- et nord-américaines plongent sous la plaque caraïbe. Cette zone de subduction est le siège de séismes, d’éruptions volcaniques et de tsunamis, parfois extrêmes. En quête d’informations sur ces événements rares, les chercheurs de la campagne en mer CASÉIS étudient les sédiments marins de la région. Les plus longues carottes sédimentaires prélevées mesurent 30 mètres. Elles renferment 100 000 ans d’histoire géologique.

(image avec légende)

Un séisme de magnitude 8 libère 1000 fois plus d’énergie qu’un séisme de magnitude 6.

Schéma 3D de la zone de subduction des Petites Antilles avec localisations de séismes repérées par des étoiles colorées. @N.Feuillet/IPGP

 

 

  • L’EFFET DES SÉISMES SUR LES SÉDIMENTS

Les sédiments marins sont formés de matières diverses provenant des terres émergées et d’organismes qui tombent au fond des mers (neige marine). Lorsque des séismes, des tsunamis ou des éruptions volcaniques particulièrement violents se produisent, des sédiments peuvent se déplacer sous forme d’avalanches turbulentes canalisées par les canyons sous-marins.

 

Les "courants de turbidité", encore appelés "courants de densité" sont comparables à des avalanches de neige poudreuse où l'eau remplacerait l'air et les grains sédimentaires les flocons. Ce mécanisme a d'ailleurs été modélisé en 1983 avec le concours de l'alpiniste (et chercheur) Pierre Béghin. Une masse de sédiment non consolidé (sable, argile, etc.) passe à l'état de suspension. Celle-ci se comporte comme un liquide beaucoup plus dense que l'eau environnante et peut ainsi s'écouler sur le fond en suivant la pente.

LA MANIP : simulation d'une avalanche sous-marine engendrée par un séisme @IPGP@ISTEP_SU

La manip commentée :
La moitié supérieure de l’image représente la vue de dessus d’un bac vitré de quelques mètres de long. On y observe à droite, en haut d'une pente, l’injection de sédiment mélangé à de l'eau salée (sédiment fluidisé). Le courant de turbidité est rapide et ne se mélange pas avec la tranche d'eau qui le surmonte. La moitié inférieure de l’image correspond à la vue latérale. Remarquez l'écoulement qui s'étale sur tout le fond du bac malgré une pente faible. Le dépôt de sédiment réalisé constitue une turbidite. Dans la réalité, la vitesse du courant peut atteindre plusieurs mètres par seconde et la distance parcourue plusieurs centaines de kilomètres

 

Les grains des sédiments sont triés par le courant de turbidité 
Les grains des sédiments transportés par les turbulences de l'eau se déposent plus ou moins rapidement selon leur taille et leur densité. Les grains fins et légers, maintenus en suspension plus longtemps, se déposent en dernier. Les séismes extrêmes déclenchent des courants de turbidités simultanés en différents lieux. Les turbidites qu’ils engendrent (turbidites co-sismiques), datées d’une même époque, sont identifiables dans des carottes de sédiments prélevées en des lieux éloignés les uns des autres. Les 6 carottes sédimentaires prélevées au large de la Guadeloupe ont permis d’identifier 32 turbidites co-sismiques sur les derniers 110 000 ans. Aucune turbidite associée au séisme de 1843 n’a été retrouvée. Les turbidites co-sismiques repérées correspondraient donc à des séismes encore plus violents.

(image avec légende)
Photographie d’une portion de carotte sédimentaire où l’on peut observer une turbidite associée à un séisme. @C.Beck

 

 

(image avec légende)
Carte en relief du fond marin des Petites Antilles @C.Seibert/IPGP

 

 

  • OÙ PRÉLEVER LES SÉDIMENTS ? 

 

Le site idéal ? Une cuvette de sédiments en bas de pente.

Les sites recherchés sont des bassins profonds éloignés des îles. Ils sont ainsi préservés des autres phénomènes qui génèrent des turbidites, tels les cyclones, les tempêtes et les déstabilisations de pentes.


L'exploration acoustique
L’exploration des fonds marins est réalisée à l’aide d’ondes acoustiques. Des ondes de basse fréquence sont plus pénétrantes mais les images qu’elles fournissent sont moins précises (faible résolution). Ici, une image du relief sous-marin (bathymétrie) obtenue à partir du temps de trajet aller et retour d’une onde émise par le sonar du bateau sondeur (le Pourquoi Pas ?).

(image avec légende)
Bathymétrie du fond marin des Petites Antilles. Dimensions verticales exagérées : la pente la plus forte est de 25° @C.Seibert/IPGP

 

Les ondes acoustiques impulsionnelles et intenses permettent d’évaluer l’hétérogénéité des dépôts sédimentaires rendue visible par l'alternance des lignes sombres et claires (imagerie CHIRP). Cette technique d’imagerie sonde les fonds marins sur une épaisseur d’environ 50 mètres avec une résolution verticale d’environ 1 mètre.

(image avec légende)
Imagerie Chirp @N.Feuillet/IPGP
(image avec légende)
Sous la passerelle de commandement, des scientifiques étudient la carte bathymétrique régionale.@B.Caron/ISTEP
(image avec légende)
Poste de travail des scientifiques permettant de contrôler l'acquisition des données.@B.Caron/ISTEP

 

 

  • LE CAROTTAGE

Le carottage consiste à utiliser un tube cylindrique de plusieurs mètres de long pour prélever des sédiments marins. L’analyse des couches sédimentaires récoltées au sein de la carotte permet de retracer l’histoire géologique de la région étudiée.

Le carottier Calypso à bord du Pourquoi pas ?

 

Le carottier Calypso prélève une carotte de sédiments en exploitant la gravité, à la différence du forage. Sous l’effet d’un lest, un tube s’enfonce dans le fond marin avant d’être arraché à l’aide d’un piston analogue à celui d’une seringue. Les carottiers sont dotés de nombreux instruments de mesure qui évaluent notamment la qualité des réglages, la profondeur de pénétration atteinte, et indiquent si le sédiment est dilaté ou comprimé lors du carottage.

Fonctionnement du carottier Calypso @Ifremer




A bord du bateau, les paramètres du carottier s'affichent sur un écran. En complément d'une carte indiquant la localisation du bateau, on peut lire la profondeur (sounding) et la longueur du câble (length) du carottier. La courbe bleue (en haut à droite de l'écran sur la photo) représente la tension du câble tout au long de la descente et de la remontée. Remarquez la valeur plus élevée de la tension lors de la remontée du carottier alourdi par les sédiments. L’impact sur le fond marin, et donc le début de l'enfoncement du carottier dans les sédiments, se traduit par une chute brutale de la tension du câble. Elle précède l'augmentation progressive de la tension, nécessaire à l'extraction du carottier.

(image avec légende)
Photographies légendées de l'écran de contrôle du carottier. @B.Caron/ISTEP



Une fois à bord, le tube d’acier est placé en position horizontale. On peut alors extraire la chemise en PVC qui renferme les sédiments. Elle est mesurée puis divisée en tronçons de 1,5 mètre afin de faciliter le stockage. Les tronçons sont soigneusement refermés et identifiés.
Crédits photos @N.Feuillet@J.Patton@J.M@Ifremer


42 carottes ont été remontées à bord du Pourquoi pas ? C'est une récolte de 510 mètres de sédiments !
La plus longue carotte : 28.6 m
La plus grande profondeur de prélèvement :  -6889 m

(image avec légende)
La plus longue carotte récoltée lors de la campagne en mer CASEIS (28,6m). Elle s'étend sur la coursive latérale jusque dans l'une des deux carothèques du Pourquoi Pas? @B.Caron/ISTEP

 

 

  • SECRETS DE CAROTTE

La chemise en PVC est découpée en longueur à la machine, puis la carotte de sédiment à l'intérieur est scindée en deux à l'aide d'un fil à couper le beurre. Le demi-tronçon « archive » subit des analyses non destructives avant d’être entreposé. Le demi-tronçon de « travail » est analysé centimètre par centimètre et des échantillons prélevés sont observés à la loupe binoculaire.
Crédits photos @N.Feuillet@L.Johannes@J.M.Saurel

 

Structures invisibles révélées

Photographies des demi-tronçons de la carotte n° 14, juxtaposées aux radiographies (rayons X). Des structures laminaires obliques ou convolutées sont révélées par les rayons X, plus ou moins absorbés selon la densité des sédiments (structures denses en noir). Sur les photos des demi-tronçons n°1 et 18, les bouchons de la carotte sont visibles en bleu. Ils sont constitués de polyéthylène (frite de piscine). 

(image avec légende)
Photographies et radiograhies RX des 18 demi-tronçons d'une carotte sédimentaire @C.Seibert/IPGP



Datations
Une turbidite est un dépôt de sédiments quasi instantané à l’échelle des temps géologiques. Pour savoir à quelle époque elle s’est formée, les chercheurs effectuent des datations sur la couche sédimentaire située juste en dessous de la base nette de la turbidite. La couche datée est une couche biogénique : elle contient des fossiles d’organismes vivants (microplanctons) lentement accumulés.

Datation par comptage d’espèces planctoniques
Les organismes vivants sont sensibles aux changements environnementaux (température, salinité, acidité, apports de nutriments...). Certaines espèces sont moins présentes pendant les périodes glaciaires. Leur abondance, mesurée par comptage à la loupe binoculaire, permet de dater les couches les unes par rapport aux autres (datations relatives).

(image avec légende)
Micro-planctons fossiles (images obtenues avec un microscope électronique à balayage (MEB) : pforams@mikrotax http://www.mikrotax.org/pforams)

Datation au carbone 14
Le carbone 14, un élément radioactif, est naturellement présent dans les organismes vivants, y compris dans les squelettes calcaires des foraminifères planctoniques. Dès qu’ils meurent, la quantité de carbone 14 diminue au cours du temps.  Après 50 000 ans environ, les quantités sont trop faibles pour obtenir une datation fiable.

Comparer les carottes
Des corrélations entre les analyses effectuées sur les différentes carottes permettent de localiser les turbidites associées aux séismes extrêmes.

(image avec légende)
Ensemble de mesures obtenues sur une carotte sédimentaire. Ces résultats sont comparés à ceux des autres carottes @C.Seibert/IPGP

35 turbidites associées à des séismes extrêmes ont été trouvées dans les carottes prélevées au cours de la campagne en mer CASÉIS. Les deux plus récentes datent de 2500 ans au large de la Guadeloupe et 10 000 ans au large de la Martinique. Des études sont en cours afin de préciser la récurrence des séismes extrêmes dans la région des Petites Antilles.

En savoir +

Vidéo de Thomas Stevenson (en anglais)