Au lendemain du tremblement de terre dévastateur de Tohoku-Oki qui a frappé les côtes du Japon en mars 2011, les sismologues ont été stupéfaits par les 50 mètres sans précédent de déplacement peu profond le long de la faille, qui s'est rompu jusqu'à la surface du fond marin. Ce glissement extrême à faible profondeur a exacerbé le tsunami massif qui, avec le séisme de magnitude 9,1 causé d'importants dégâts et des pertes en vies humaines au Japon.

Dans une nouvelle étude, publié le 27 janvier dans Communication Nature , les chercheurs ont utilisé une nouvelle technique pour étudier les failles de la tranchée japonaise, la zone de subduction où a frappé le tremblement de terre de Tohoku-Oki. Leurs découvertes révèlent une longue histoire de grands séismes dans cette zone de faille, où ils ont trouvé de multiples failles avec des preuves de plus de 10 mètres de glissement lors de grands tremblements de terre.

"Nous avons trouvé des preuves de nombreux grands tremblements de terre qui se sont rompus au fond de la mer et auraient pu générer des tsunamis comme celui qui a frappé en 2011, " a déclaré le co-auteur Pratigya Polissar, professeur agrégé de sciences océaniques à l'UC Santa Cruz.

Des chercheurs japonais examinant les dépôts de sédiments terrestres ont trouvé des preuves d'au moins trois tsunamis similaires s'étant produits dans cette région à environ 1, intervalles de 000 ans. La nouvelle étude suggère qu'il y a eu encore plus de grands tremblements de terre sur cette zone de faille que ceux qui ont laissé des preuves à terre de grands tsunamis, a déclaré la coauteure Heather Savage, professeur agrégé de sciences de la Terre et des planètes à l'UC Santa Cruz.

Savage et Polissar ont développé une technique pour évaluer l'histoire du glissement sismique sur une faille en analysant les molécules organiques piégées dans les roches sédimentaires. A l'origine synthétisé par les algues marines et d'autres organismes, ces "biomarqueurs" sont altérés ou détruits par la chaleur, y compris l'échauffement par friction qui se produit lorsqu'une faille glisse lors d'un tremblement de terre. Grâce à des tests approfondis en laboratoire au cours de la dernière décennie, Savage et Polissar ont développé des méthodes pour quantifier l'évolution thermique de ces biomarqueurs et les utiliser pour reconstruire l'historique de température d'une faille.

Le Japan Trench Fast Drilling Project (JFAST) a foré dans la zone de faille en 2012, l'extraction des carottes et l'installation d'un observatoire des températures. La sismologue de l'UCSC Emily Brodsky a aidé à organiser JFAST, qui a donné la première mesure directe de la chaleur de friction produite par le glissement de faille lors d'un tremblement de terre (voir l'histoire précédente). Cette chaleur se dissipe après le tremblement de terre, cependant, le signal est donc petit et transitoire.

"Les biomarqueurs nous donnent un moyen de détecter des changements permanents dans la roche qui préservent un enregistrement d'échauffement sur la faille, " dit Sauvage.

Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont examiné les carottes JFAST, qui s'étendait à travers la zone de faille dans la plaque de subduction ci-dessous. "C'est une zone de faille complexe, et il y avait beaucoup de défauts dans tout le noyau. Nous avons pu dire quelles failles avaient des preuves de grands tremblements de terre dans le passé, " dit Sauvage.

L'un de leurs objectifs était de comprendre si certains types de roches dans la zone de faille étaient plus sujets à un glissement important lors d'un tremblement de terre que d'autres roches. Les carottes ont traversé des couches de mudstones et d'argiles avec différentes forces de friction. Mais l'analyse des biomarqueurs a montré des preuves d'un glissement sismique important sur les failles dans tous les différents types de roches. Les chercheurs ont conclu que les différences dans les propriétés de friction ne déterminent pas nécessairement la probabilité d'un grand glissement peu profond ou d'un risque sismique.

Savage et Polissar ont commencé à travailler sur la technique des biomarqueurs en tant que chercheurs postdoctoraux à l'UC Santa Cruz, publiant leur premier article à ce sujet avec Brodsky en 2011. Ils ont continué à le développer en tant que chercheurs à l'Observatoire de la Terre Lamont-Doherty de l'Université de Columbia, avant de retourner à l'UC Santa Cruz en tant que membres du corps professoral en 2019. Hannah Rabinowitz, le premier auteur du nouvel article, travaillé avec eux en tant qu'étudiant diplômé à Columbia et est maintenant au département américain de l'Énergie.

"Nous avons testé cette technique dans différentes roches d'âges et d'histoires de chauffe différents, et nous pouvons maintenant dire oui, il y a eu un tremblement de terre sur cette faille, et nous pouvons dire s'il y en avait un grand ou plusieurs petits, " a déclaré Savage. "Nous pouvons maintenant utiliser cette technique pour d'autres failles pour en savoir plus sur leurs histoires."

Outre Rabinowitz, Sauvage, et Polissar, les coauteurs de l'article sont Christie Rowe et James Kirkpatrick de l'Université McGill. Ce travail a été financé par la National Science Foundation. Le projet JFAST a été parrainé par le Programme international de forage océanique (IODP).