Lettre du Plan Séisme - 4e trimestre 2019, Dossier Quand les volcans font trembler

Dossier Quand les volcans font tremblerDossier Quand les volcans font trembler

La grande majorité des séismes sont provoqués par les mouvements des plaques tectoniques. D’autres le sont par des phénomènes souterrains et notamment le plus impressionnant d’entre eux : l’activité volcanique. Ces tremblements de volcans sont le plus souvent de faibles intensités. Ils sont en revanche de précieux indicateurs des changements en cours sous la surface et peuvent être des signes précurseurs d’éruption.

Les forces en jeu au cœur des volcans actifs sont telles qu’elles conduisent inévitablement à des vibrations. Pour la grande majorité, seuls les sismomètres sont en mesure de les détecter. Les phénomènes susceptibles de générer ces tremblements sont multiples et se traduisent par des signaux sismiques tout aussi variés. « Il existe véritablement tout un bestiaire fantastique des signaux enregistrés en milieu volcanique » explique Jean Battaglia, chercheur à l’université de Clermont-Ferrand.

Capteur sismologique sur les flancs de la montagne Pelée, Martinique
Capteur sismologique sur les flancs de la montagne Pelée, Martinique
Sources : IPGP?/OVSM?

Sismo-volcanologue, sa mission consiste justement à comprendre la sismicité   liée aux volcans mais il prévient d’emblée qu’il est très délicat d’établir un lien direct entre un signal sismique et un phénomène précis en profondeur en raison de la grande diversité des volcans : « Entre les volcans éruptifs dont le magma est très visqueux et les volcans effusifs dont le magma est très fluide, il y a toute une gamme. Sans compter que chacun a son histoire spécifique. Il reste donc difficile d’interpréter la sismicité   des volcans ». Nous pouvons cependant dresser un tableau très général des signaux sismiques en milieu volcanique et des phénomènes impliqués.

Différentes catégories de séismes en milieu volcanique : volcano-tectoniques, signaux basse fréquence transitoires, trémors…

Survenant plutôt en amont des éruptions, les séismes « volcano-tectoniques » résultent d’un phénomène de fracturation lié à une évolution des contraintes au sein du volcan. Ce sont les plus proches cousins des séismes enregistrés sur les failles (les « séismes tectoniques »). Comme eux, ils se caractérisent par des ondes P et S, ce qui n’est pas le cas des autres signaux sismiques enregistrés sur les volcans. Comme lors d’une crise sismique liée à la tectonique des plaques  , on enregistre parfois autour des volcans des essaims sismiques, c’est-à-dire une succession de tremblements de terre dans une même zone géographique. En revanche, ils ne suivent pas la séquence habituelle des séismes tectoniques caractérisé par un choc principal puis des répliques  . Ils sont dits « désordonnés ».

Signal de type volcano-tellurique, enregistré sur le Piton de la Fournaise
Signal de type volcano-tellurique, enregistré sur le Piton de la Fournaise
Source : IPGP?/OVPF

En amont, comme pendant les éruptions, se produisent également des séismes à basse fréquence et transitoires. Seuls les sismomètres les enregistrent. Ils peuvent s’expliquer notamment par les mouvements de fluides au sein du volcan : phénomène de résonance de réservoirs, déplacement du magma ou de fluide d’un système hydrothermal. Il existe en effet au cœur du volcan tout un réseau de structures où circulent et interagissent gaz, vapeur et eau sous pression. « Ce sont un peu les bruits de tuyauterie du volcan  » image Jean-Marie Saurel, spécialiste de la sismicité   volcanique au sein de l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP?). En phase d’éruption, les signaux sismiques peuvent résulter de ce qui se passe en surface : coulées de lave, écoulements pyroclastiques, explosions, projections de cendres et bombes volcaniques, effondrement partiel de caldeira, coulées de boue et glissements de terrain…

Signal de type longue période, enregistré sur le Piton de la Fournaise
Signal de type longue période, enregistré sur le Piton de la Fournaise
Source : IPGP?/OVPF

Enfin il y a les « trémors », ces bruits ou vibrations continus, générés par la remontée du magma vers la surface, de l’écoulement de lave en surface ou d’une émission continue de gaz et de cendres à la surface. Ils peuvent durer de plusieurs minutes à plusieurs semaines ou mois.

Signal de type trémor, enregistré sur le Piton de la Fournaise
Signal de type trémor, enregistré sur le Piton de la Fournaise
Source : IPGP?/OVPF

Des séismes exceptionnellement de forte intensité

La plupart des séismes liés aux volcans ne sont pas ressentis par la population. C’est plutôt une bonne nouvelle quand on sait qu’il peut s’en produire plusieurs centaines par jour lors de la crise pré-éruptive comme pendant l’éruption. Lorsqu’un volcan est au repos, la magnitude   des séismes volcaniques est souvent inférieure à 1. Lors d’une éruption, il arrive de mesurer des séismes de magnitude   3 ou 4. Exceptionnellement, ils peuvent atteindre des magnitudes de 5 ou 6. Un tremblement de terre   de magnitude   6,9 a ainsi frappé en mai 2018 l’archipel de Hawaï suite à l’entrée en éruption du volcan Kilauea. Autre exemple, les éruptions de l’Etna ont parfois été accompagnées de séismes destructeurs. En décembre 2018, un séisme   de magnitude   4,8 a fait de nombreux dégâts et plusieurs blessés sur les flancs du volcan en éruption. Situé à seulement 1,2 km de profondeur, il a été fortement ressenti. «  La source des séismes volcaniques est souvent proche de la surface. Ils peuvent donc être fortement ressentis par les populations et entraîner des dégâts y compris pour des magnitudes relativement modérées » explique Jean-Christophe Komorowski, chercheur et responsable scientifique des Observatoires volcanologiques et sismologiques de l’IPGP, « Par ailleurs, de nombreux volcans étant situés sur des zones de failles, il existe de nombreuses interactions entre l’activité magmatique et l’activité tectonique. Les fluides du volcan peuvent venir en quelque sorte lubrifier des failles où les contraintes se sont accumulées et ainsi accélérer la survenue d’un séisme   tectonique  », ajoute-t-il.

Des tremblements très surveillés

Rarement ressentis, les signaux sismiques en milieu volcanique sont en revanche souvent utiles à la science pour approcher le fonctionnement d’un volcan, voire pour tenter de prédire les éruptions, ou tout du moins alerter les pouvoirs publics sur l’évolution du risque. Pour cette raison, les volcans actifs sont surveillés en permanence dans les pays qui disposent des moyens nécessaires. Les volcans actifs situés sur le territoire français sont surveillés par l’IPGP qui dirige les observatoires volcanologiques et sismologiques des Antilles et du Piton de la Fournaise à La Réunion, en association avec les universités locales et les autorités préfectorales. Les volcans de la Soufrière en Guadeloupe, de la Montagne Pelée en Martinique et du Piton de la Fournaise à La Réunion sont largement instrumentés (voir 3 questions à).

Vue schématique du volcan du Piton de la Fournaise à la Réunion
Vue schématique du volcan du Piton de la Fournaise à la Réunion
Source : BRGM? – FP7 MED-SUV

Une prédiction complexe des éruptions

Les éruptions sont dans la plupart des cas précédées d’une crise sismique. Ces vibrations sont le symptôme d’une crise à l’intérieur du volcan qui peut ou non déboucher sur une éruption. Par conséquent, si toutes les éruptions sont précédées de signaux sismiques, toutes les crises sismiques autour d’un volcan ne débouchent pas sur une éruption. Par ailleurs, la période entre le début de la crise sismique et l’éruption est encore plus incertaine, tout comme la forme de l’éruption. Les volcanologues travaillent depuis de nombreuses années pour améliorer la prévision des éruptions grâce notamment à une meilleure interprétation de la sismicité   mais ils insistent sur la difficulté de l’exercice. Les phénomènes en jeu sont d’une telle complexité qu’il n’est pas possible d’établir une relation simple entre les séismes enregistrés et la survenue d’une éruption. « Même avec le plus complexe des réseaux d’observation, il reste des incertitudes  », souligne Arnaud Lemarchand, responsable opérationnel des Observatoires de l’IPGP « Selon la connaissance du volcan, la fenêtre de probabilité est plus ou moins grande. L’observatoire est le premier maillon de la chaîne dans la gestion des risques volcaniques : notre rôle est d’informer sur l’évolution des signaux enregistrés et des phénomènes observés mais l’autorité publique demeure responsable de la prise de décision et de juger si une évacuation est nécessaire  », complète-t-il.

Le Piton de la Fournaise est l’un des volcans les plus actifs au monde avec une moyenne d’une phase éruptive tous les neuf mois, et il est particulièrement bien instrumenté. Pour ces deux raisons, son fonctionnement est relativement bien connu et les nombreux retours d’expérience facilitent l’interprétation des signaux sismiques et autres mesures. Toutes les éruptions récentes ont été anticipées par les scientifiques. « Mais nous avons aussi annoncé, dans de rares cas, des éruptions qui n’ont finalement pas eu lieu » nuance l’équipe de l’IPGP. « Nous observons aussi un changement dans le comportement du volcan qui nous incite à rester prudents dans l’interprétation. Depuis la grosse éruption de 2007 les crises sismiques qui précèdent les éruptions sont de plus en plus courtes  ».

Pour illustrer la difficulté de prédire une éruption à partir de la sismicité   volcanique, Jean Battaglia cite l’exemple de deux volcans d’Amérique du sud aux itinéraires contrastés. Le Sabancaya dans la région de l’Altiplano au Pérou a connu une sismicité   tectonique importante dès 2013 pour finalement entrer en éruption en 2017. Plus au nord, à la frontière entre l’Equateur et la Colombie, le Chiles-Cerro Negro connait une intense activité sismique depuis la même époque, avec un séisme   de magnitude   5,7 en 2014 et des milliers de séismes en quelques jours. Il n’est pourtant toujours pas entré en éruption.

Mayotte : une naissance volcanique annoncée

Sur le territoire français, les évènements qui se sont déroulés ces derniers mois à Mayotte illustrent avec force le lien potentiel entre sismicité   et phénomènes volcaniques. « C’est réellement un cas d’école rarissime  » souligne Jean Battaglia. En effet, dès le printemps 2018, un nombre exceptionnel de séismes, plusieurs milliers, se sont produits en mer au large de Mayotte, le plus souvent de faibles intensités et enregistrés par les stations accélérométriques de l’antenne locale du BRGM?. Un nombre significatif d’entre eux a cependant été fortement ressenti par les habitants, entraînant des dégâts, dont le séisme   de magnitude   5,9 du 15 mai 2018. Face à cet essaim sismique, plusieurs établissements et laboratoires de recherche français (IPGP, CNRS?, BRGM, IFREMER, IPGS), dans le cadre d’un programme CNRS-INSU financé par le ministère de la Recherche et le ministère de la Transition écologique et solidaire, ont renforcé les observations sur place, y compris en mer. Une campagne océanographique réalisée par le navire Marion Dufresne a finalement permis de comprendre que cette intense activité sismique annonçait la naissance d’un nouveau volcan sous-marin. Situé à 50 km au large de Petite-Terre et à 3 500 m de profondeur, ce volcan mesure désormais 800 mètres de hauteur pour un diamètre de quatre à cinq kilomètres, mais son panache de fluide n’atteint pas la surface. Sa croissance a été exceptionnellement rapide avec près de 5 km3 de lave émise sur le plancher océanique en un an, avec un débit qui a fluctué entre 50 et 200 m3/s selon les phases d’activité. Cet évènement aurait cependant pu passer quasiment inaperçu sans l’essaim sismique qui l’a accompagné. Les autorités ont depuis décidé la création du Réseau de surveillance volcanologique et sismologique de Mayotte (ReVoSiMa), un nouvel observatoire opéré par l’IPGP, l’Ifremer, le CNRS et le BRGM.

Le clin d'oeil d'Eric Appéré
Le clin d’oeil d’Eric Appéré

Des éruptions accélérées par des séismes

L’activité volcanique est donc bien à l’origine d’une partie des tremblements de terre de notre planète. Mais la réciproque existe-t-elle ? Un séisme   peut-il réveiller un volcan ? Là encore, la réponse dépend fortement des volcans considérés. Une étude franco-japonaise publiée en 2014 montre que l’onde de choc produite par le méga-séisme   de 2011 au Japon (magnitude   9) a entraîné des perturbations sous certains volcans, en particulier dans la région du mont Fuji et du mont Hakone alors qu’ils se trouvent à 500 kilomètres de l’épicentre du séisme  . L’état de contrainte de plusieurs volcans a évolué pour se rapprocher de l’état actif. Statistiquement des déclenchements d’éruption sont observés dans les semaines qui suivent les grands séismes, même si le lien de cause à effet n’est pas toujours établi. La dernière éruption du mont Fuji, en 1707, a été précédée d’un grand séisme  . « Un tremblement de terre   n’est pas directement la cause d’une éruption mais la propagation d’ondes sismiques au travers du système volcanique peut participer à la mise sous pression des fluides et accélérer un processus déjà en cours » explique Jean-Christophe Komorowski.Un séisme   peut finir de déstabiliser un volcan déjà instable mais ne peut à lui-seul ouvrir un système volcanique fermé. En l’état des connaissances, un séisme   ne suffirait donc pas à réveiller les volcans de la Chaîne des Puys bien assoupis !

Pour aller plus loin

planseisme picto 17 pointi - Dossier « Les tremblements de terre peuvent-ils provoquer des éruptions volcaniques ?  » du National Geographic
- Article « Volcans et activité sismique » d’ISTerre?
-FAQ scientifique du BRGM sur la crise sismo-volcanique à Mayotte
-Article « Volcan sous-marin au large de Mayotte, retour sur une découverte exceptionnelle » de l’IPGP]