En juin 2019, un tremblement de terre de magnitude 4,0 s'est produit sous le lac Érié, juste au large de la côte de l'Ohio, à environ 20 miles au nord-est de Cleveland.

Bien qu'aucun dommage n'ait été signalé, le séisme sous-marin a été largement ressenti jusqu'à 60 milles de distance, dans tout le nord-est de l'Ohio et dans certaines parties de la Pennsylvanie, de l'Ontario et du sud-est du Michigan.

Le tremblement de terre et les nombreuses répliques se sont produits vers la fin d'une période d'augmentation record des niveaux d'eau des Grands Lacs et ont coïncidé avec le niveau d'eau le plus élevé jamais enregistré sur le lac Érié. Pourrait-il y avoir un lien entre la sismicité du lac Érié et la fluctuation des niveaux d'eau dans le lac ?

Pour le savoir, des chercheurs de l'Université du Michigan et leurs collègues ont compilé un nouveau catalogue de 437 tremblements de terre relativement petits dans la région du lac Érié qui se sont produits entre 2013 et 2020, le catalogue le plus complet jamais obtenu. Tous les tremblements de terre étaient plus petits que l'événement de juin 2019, et la plupart n'ont probablement pas été remarqués par les résidents de la région.

Ensuite, les chercheurs ont calculé les contraintes que le déplacement des niveaux d'eau du lac Érié imposerait aux failles dans les roches sous le lac et ont utilisé diverses méthodes statistiques pour rechercher une corrélation entre les taux de tremblement de terre et les niveaux d'eau.

Leur verdict ?

"Aucune corrélation concluante n'a pu être établie entre le taux de tremblement de terre et le niveau d'eau ou le taux de changement du niveau d'eau", a déclaré le géophysicien de l'U-M Yihe Huang, co-auteur d'une étude publiée en ligne le 9 mai dans la revue Seismological Research Letters. .

Selon les chercheurs, l'absence de preuve irréfutable pourrait être en partie due au nombre limité de tremblements de terre dans le nouveau catalogue. De plus, les changements de contrainte induits par le lac Érié sur les failles sismiques à proximité sont probablement 10 à 100 fois plus petits que ceux observés dans des endroits, comme le réservoir derrière l'énorme barrage de Koyna en Inde, où les tremblements de terre ont été attribués à la modification des niveaux d'eau.

"Nous ne pouvons pas totalement exclure l'impact de l'augmentation du niveau d'eau sur la réactivation des failles qui ont accueilli la séquence du tremblement de terre de l'Ohio en 2019", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Dongdong Yao, ancien chercheur postdoctoral de l'UM qui est maintenant à l'Université des géosciences de Chine.

"Nos résultats soulignent la nécessité d'une surveillance plus dense et plus étroite de la sismicité du lac pour étudier plus avant l'impact de la modification de la charge d'eau sur la réactivation des failles peu profondes dans cette région."

Pour donner suite à leurs découvertes, Huang et ses collègues utiliseront de nouvelles techniques pour surveiller la sismologie régionale des Grands Lacs et effectueront des simulations basées sur la physique. Plus précisément :

• Huang et le sismologue U-M Zack Spica prévoient une expérience sur le terrain cet été pour convertir un câble à fibre optique existant dans le lac Ontario en capteurs capables de mieux surveiller la sismicité et d'autres phénomènes tels que les seiches, les courants de fond ou les changements de niveau d'eau. Des études antérieures menées dans d'autres régions du pays ont démontré la possibilité d'utiliser les réseaux existants de câbles à fibre optique (les mêmes fibres optiques qui fournissent l'Internet haut débit et la vidéo HD dans nos foyers) pour étudier les tremblements de terre.
• Huang et ses collègues simuleront les contraintes supplémentaires sur les failles sismiques de la région du lac Érié causées par les niveaux d'eau élevés, ainsi que la mesure dans laquelle l'eau du lac s'infiltrant dans le substratum rocheux peut aider à lubrifier ces failles. "Ces deux effets peuvent se concurrencer dans la nature, et les simulations basées sur la physique peuvent nous aider à déterminer quel effet est le plus important", a-t-elle déclaré.

De plus, Huang et son équipe analysent toujours les données d'un réseau de huit sismomètres, connu sous le nom de projet LEEP pour Lake Erie Earthquake exPeriment, qu'ils ont exploité dans le coin ouest du lac Érié d'octobre 2018 à juillet 2021.

La région des Grands Lacs est généralement considérée comme sismiquement inactive, et les tremblements de terre de magnitude 5 ou plus sont rares. Cependant, des tremblements de terre de magnitude supérieure à 2 se produisent deux ou trois fois par année dans la région, principalement autour des lacs Érié et Ontario. Les tremblements de terre d'une magnitude de 2,5 à 3 sont les plus petits généralement ressentis par l'homme.

"Nous ne savons pas si les failles de la région du lac Érié peuvent produire des tremblements de terre destructeurs ou mortels", a déclaré Huang, professeur adjoint au Département des sciences de la Terre et de l'environnement de l'UM. "C'est pourquoi les sismologues s'intéressent à l'étude d'une séquence de tremblement de terre de magnitude 4 dans cette région."

Depuis le début des années 2010, l'est de l'Ohio a connu une augmentation significative de la fréquence des tremblements de terre relativement petits. Les origines de ces tremblements de terre sont mal comprises, mais certaines études antérieures ont suggéré qu'ils pouvaient être attribués à l'injection d'eaux usées et aux activités de fracturation hydraulique.

La sismicité induite par injection a également été suggérée comme déclencheur du dernier séisme de magnitude 5 de la région, qui s'est produit en janvier 1986 dans le nord-est de l'Ohio, à l'est de Cleveland, dans le sud du comté de Lake.

Dans la nouvelle étude, qui couvre la période de 2013 à 2020, l'équipe dirigée par l'UM a trouvé un groupe de tremblements de terre à proximité du tremblement de terre de 1986 et à proximité des puits d'évacuation des eaux usées qui fonctionnaient pendant la période d'étude. Ils ont conclu que ce groupe de tremblements de terre "pourrait être potentiellement induit par l'évacuation des eaux usées".

"Plus intrigant, le tremblement de terre de 1986 s'est également produit pendant une autre période de niveaux d'eau élevés enregistrés à travers les Grands Lacs", ont écrit les auteurs. "Cependant, en raison de la grande distance par rapport au lac Érié, il serait difficile d'évaluer l'impact du changement de contrainte induit par le lac sur le déclenchement du tremblement de terre de 1986."

Pour créer leur nouveau catalogue de 437 tremblements de terre dans la région du lac Érié, les chercheurs ont commencé avec 27 tremblements de terre signalés précédemment répertoriés dans le catalogue complet des tremblements de terre du système sismique national avancé, connu sous le nom de catalogue ComCat.

Les réseaux de sismomètres américains ont capturé des enregistrements continus des mouvements du sol dans la région pendant la période d'étude. En utilisant les formes d'onde produites par les 27 tremblements de terre connus comme modèles, l'équipe a scanné les enregistrements continus à la recherche de tremblements de terre non détectés auparavant avec des formes d'onde similaires. Le processus est appelé correspondance de modèle.

La plupart des tremblements de terre du nouveau catalogue n'auraient pas été ressentis par les habitants de la région et ne sont détectables que par des sismomètres à proximité sensibles à de minuscules secousses du sol.

Le nouveau catalogue a révélé 20 à 40 petits tremblements de terre par an pendant la période d'étude, menant à l'événement de juin 2019. Un taux de sismicité élevé en 2019 a été dominé par les répliques suite au tremblement de terre de magnitude 4,0.

En plus de compiler le nouveau catalogue complet, l'équipe a également été la première à cartographier la faille qui s'est rompue pour produire le tremblement de terre de 2019, qui s'est produit à une profondeur d'environ 2 kilomètres (1,2 miles).