Géologie et sismologie : percer les secrets des Alpes

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Anne Paul, sismologue à Grenoble, cherche à cartographier la structure profonde des Alpes. La plus emblématique des chaines de montagne recèle bien des mystères et déchaine les passions dans le domaine de la sismologie. Retour sur le Science Sandwich de juin où elle a présenté ses travaux.

Strucutre du massif alpin, vue du ciel © Marco Verch cc
Structure de la chaine alpine, vue du ciel © Marco Verch cc

Plusieurs grandes expériences internationales d’imagerie sismique sont en cours pour éclairer les mystères de la formation et de la structure profonde des Alpes. Ce mardi 19 juin 2018, Anne Paul, sismologue de l’Institut des Sciences de la Terre de Grenoble (Université Grenoble Alpes et CNRS) a présenté un état des lieux des connaissances sur le sujet lors du Science Sandwich « Quand les sismologues radiographient la collision des continents sous les Alpes ».

Des siècles de passion scientifique pour les Alpes

De nombreux chercheurs à travers le monde se passionnent pour la géologie des Alpes, et ce depuis le 18ème siècle – De Saussure fût l’un des pionniers. L’histoire des sciences sur le territoire est très riche. En 1918, Émile Argand, professeur de géologie à l’Université de Neuchâtel, a été le premier à associer la formation des chaînes de montagne aux déplacements horizontaux des continents à la surface du globe, alors que simultanément, l’Allemand Alfred Wegener lançait sa théorie de la dérive des continents. Émile Argand a révolutionné la compréhension des chaines de montagne – à une époque où l’on pensait qu’elles se formaient par contraction de la Terre en refroidissant. Les Alpes ont vu naître de très nombreux concepts de la géologie, au point que le célèbre géologue Pierre Termier a déclaré : « Tout géologue a deux patries : la sienne et les Alpes ».

Aujourd’hui, la recherche perdure pour éclairer les zones d’ombre qui résistent encore à la science. La Terre est loin d’être « transparente », comme l’explique Philippe Le Bouteiller, doctorant à l’Université Grenoble Alpes. Le jeune chercheur a remporté la finale nationale française du concours de vulgarisation scientifique Ma thèse en 180 secondes grâce à sa prestation qui explique en trois minutes la propagation des ondes sismiques dans la terre.

Les Alpes, surprenantes et complexes

Les Alpes sont l’une des chaînes de montagne les plus compliquées, plus compliquées que les grandes chaines comme l’Himalaya ou des Andes, rectilignes et relativement homogènes. Dans un contexte de collision entre les plaques Africaine (au sud) et Eurasiatique (au Nord), les Alpes sont issues d’une très longue histoire de collisions et de subduction des plaques lithosphériques. Cependant, nous manquons de données géophysiques de qualité pour permettre de voir et de comprendre quels sont les moteurs de la formation des topographies, des soulèvements actuels ou de la sismicité. S’il est facile d’imaginer la plaque tectonique continentale Eurasiatique plongeant sous la plaque Adriatique, il est bien plus complexe de visualiser les interactions entre des plaques qui tournent, se chevauchent, et plongent dans des directions opposées, jusqu’à plusieurs centaines de kilomètres de profondeur. C’est un véritable challenge de voir en profondeur sous les Alpes.

Les Alpes occidentales : figées mais pas inactives

À l’origine des chaines de montagne, deux plaques continentales se rencontrent : on a d’abord convergence (déplacement horizontal), soulèvement (déplacement vertical) puis blocage. Les plaques s’écartent ensuite à nouveau et la « chaine morte » s’effondre. Tout cela dure des centaines de millions d’années.

Grâce à des stations GPS continues (ou stations géodésiques), qui mesurent les déplacements de centaines de points à la surface de la Terre pour étudier les déplacements des plaques au millimètre près, on a pu constater que les Alpes occidentales sont en période de « blocage ». Il n’y a plus de convergence entre Lyon et Turin, à grande échelle. Entre l’Italie et l’Espagne au contraire, les plaques s’écartent et un océan se forme depuis plusieurs dizaines de millions d’années, l’océan Ligure, sous la mer méditerranée.

 

Déplacements horizontaux et verticaux mesurés dans les Alpes françaises par GPS continu et nivellement © Anne Paul, ISTerre
Déplacements horizontaux et verticaux mesurés dans les Alpes françaises par GPS continu et nivellement. Une des hypothèses pour expliquer cette activité sismique serait les mouvements de fluide à l’intérieur de la Terre et les soulèvements qu’ils engendrent. Dans la partie haute des Alpes françaises, on observe un soulèvement de l’ordre de 2 à 3 mm par an. © Anne Paul, ISTerre
  

« Blocage » ne signifie pas absence de mouvement : on enregistre une sismicité de niveau modéré dans les Alpes franco-italiennes, plus importante dans les Alpes orientales où la convergence entre les deux plaques est encore active. Mais pourquoi a-t-on une sismicité significative dans des zones où il n’y a pas de convergence de plaques ? Le paradoxe met à mal les chercheurs. Une autre observation récente et surprenante est un soulèvement des zones les plus hautes de l’arc alpin, de plus de 2 mm par an. La moitié de ce soulèvement actuel s’explique par « rebond isostatique » lié à la fonte de la calotte glaciaire du quaternaire, mais l’autre moitié reste inexpliquée et certains chercheurs proposent une cause profonde, dans le manteau terrestre.

Les technologies au service de l’étude de la structure de la chaîne alpine

Des sismomètres, qui enregistrent les vibrations du sol, servent à reconstruire la vitesse de propagation des ondes sismiques et à cartographier l’intérieur de la Terre. Pour améliorer la compréhension de ces phénomènes, il est nécessaire de déployer des réseaux d’observation denses, permanents ou temporaires sur quelques années. Ces sismomètres forment un maillage étroit : tous les 50 km à travers toute la chaine alpine, y-compris en mer (AlpArray), et en ligne tous les 5 à 10 km à travers les Alpes franco-italiennes et les Massifs du Mont-Blanc et du Grand Paradis (CIFALPS). Des projets comme CIFALPS ou AlpArray rassemblent plusieurs pays des régions alpines (11 dans le cas d’AlpArray), de la France à la Hongrie et de l’Allemagne à l’Italie.

 

Installation de stations sismologiques à terre et sous-marine (depuis le navire océanographique Pourquoi-Pas?) © Anne Paul, ISTerre
Installation de stations sismologiques à terre et sous-marines, depuis le Pourquoi-Pas, plus gros navire de la flotte océanique française. Les stations de mesure en mer nécessitent une semaine d’installation et trois semaines de démontage pour 8 mois de fonctionnement. © Anne Paul, ISTerre

 

Coralie Aubert, ingénieure à l’Institut des Sciences de la Terre de Grenoble, travaille étroitement avec Anne Paul et témoigne des aspects de terrain. Responsable de l’installation des stations sismologiques (une centaine dans l’Est de la France), elle illustre la variété des paramètres à prendre en compte : autonomie du matériel en énergie, transmission des données, dialogue avec les structures partenaires, couverture globale y compris en haute-montagne ou au fond de la mer… Le métier de sismologue est inattendu, complexe mais riche, et les passionnés qui ont choisi cette voie doivent s’adapter à tous les terrains et conditions météo.

 

Rédaction : Charlotte Mader


Pour en savoir plus :

– Le site Internet de l’Institut des Sciences de la Terre ISTerre et la page dédiée au projet Alp-Array
– Tout le programme des Sciences Sandwich 2018

 

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