Une équipe de recherche internationale, dirigée par une chercheuse de l'Université de Berne, a modélisé 1'000 ans d'histoire sismique le long des failles de San Andreas et San Jacinto dans le sud de la Californie. Résultat : les tensions dans la croûte terrestre sont aujourd'hui plus élevées qu'elles ne l'ont jamais été au cours du dernier millénaire – et un nœud de faille critique près de Los Angeles pourrait décider de l'ampleur du prochain grand séisme.

Les tremblements de terre se produisent généralement le long de zones de rupture dans la croûte terrestre, où les grandes plaques tectoniques glissent les unes sur les autres et s'accrochent. Des tensions s'accumulent alors sur une longue période et se libèrent soudainement sous la forme d'un tremblement de terre. Dans le sud de la Californie, les failles de San Andreas et de San Jacinto comptent parmi les plus importantes de ces zones et absorbent la majeure partie du mouvement des plaques dans la région. Là où les deux systèmes de failles se rapprochent, au nord-est de Los Angeles, se trouve le col de Cajon – un nœud tectonique complexe où un séisme d'une faille peut éventuellement se propager à l'autre. Depuis le dernier grand séisme qui a touché l'agglomération de Los Angeles, le tremblement de terre de Fort Tejon de 1857 d'une magnitude de 7,9, les tensions tectoniques n'ont cessé de s'accumuler le long des sections de faille, ce qui inquiète depuis longtemps les scientifiques en raison du potentiel d'un grand séisme futur.

Dans une nouvelle étude dirigée par la Dr Liliane Burkhard du Département de recherche en astrophysique et planétologie (WP) de l'Institut de physique de l'Université de Berne, une équipe de recherche internationale a modélisé 1'000 ans d'histoire sismique le long des systèmes de failles sud de San Andreas et San Jacinto afin d'estimer les tensions actuelles au niveau du col de Cajon. Des chercheurs et chercheuses de l'University of Hawaiʻi at Mānoa, du U.S. Geological Survey Earthquake Science Center à Pasadena et de la Scripps Institution of Oceanography à l'UC San Diego ont participé à cette étude. Les résultats montrent que les tensions tectoniques dans la région atteignent et parfois même dépassent les valeurs les plus élevées du dernier millénaire. En outre, les chercheurs et chercheuses présentent dans l'étude le concept du col de Cajon comme "porte sismique" : un point nodal qui contrôle si les grands tremblements de terre restent limités à une seule faille ou s'étendent sur les deux systèmes. L'étude vient d'être publiée dans la revue scientifique Journal of Geophysical Research: Solid Earth.

1'000 ans d'histoire sismique modélisés
Pour étudier comment la tension a évolué au fil du temps le long des failles de San Andreas et de San Jacinto, ainsi qu'au niveau du nœud critique du col de Cajon, l'équipe de recherche a construit un modèle de cycle sismique quadridimensionnel basé sur la physique, qui reproduit les processus dans trois dimensions spatiales et au fil du temps. Les chercheurs et chercheuses ont ensuite alimenté le modèle avec un enregistrement des tremblements de terre sur 1'000 ans, qu'ils ont reconstruit à partir de preuves géologiques telles que les datations au radiocarbone, les anomalies des cernes d'arbres et la documentation historique des ruptures de sol.

« Le modèle montre comment chaque séisme modifie la tension sur les segments de faille voisins, comment la tension se rétablit dans les intervalles calmes entre les événements et comment les couches profondes de la croûte se détendent lentement après les grands séismes », explique Burkhard. « Cette simulation nous permet de comprendre comment les tensions s'accumulent dans le système de failles au fil des siècles », poursuit Burkhard. « En effectuant une simulation de l'histoire sismique de la Californie du Sud, nous pouvons estimer à quel point le système de failles est déjà sollicité aujourd'hui. » Les chercheurs et chercheuses montrent que les tensions dans la région sont actuellement à leur plus haut niveau depuis un millénaire.

La "porte sismique", un facteur clé décisif
L'un des principaux résultats de l'étude est que le col de Cajon peut jouer le rôle de ce que l'on appelle une "porte sismique" – un point nodal qui contrôle si les grands séismes restent confinés à une seule faille ou si ils traversent les deux systèmes simultanément. Il existe des exemples historiques de ces deux comportements : Le tremblement de terre de Fort Tejon de 1857 s'est terminé au col de Cajon et n'a pas affecté la faille de San Jacinto, tandis que le tremblement de terre de Wrightwood de 1812 a traversé les deux systèmes en un seul événement sismique contigu. « Le concept de porte sismique saisit quelque chose d'essentiel dans la façon dont les nœuds de faille fonctionnent », explique Burkhard. « Le col de Cajon ne fait pas que bloquer ou diriger les séismes – il réagit aux conditions de tension, et celles-ci changent au fil des siècles. »

L'étude montre en outre que ce n'est pas seulement le degré de tension d'une faille individuelle qui est décisif, mais aussi la manière dont les tensions sur les deux systèmes de failles sont coordonnées. Si, au niveau de ce que l'on appelle une "porte sismique" comme le col de Cajon, les tensions sur les deux failles augmentent à l'unisson et se rapprochent de niveaux élevés similaires, les conditions favorisent un grand séisme commun qui touche les deux systèmes. Si l'évolution historique des tensions entre les deux systèmes diffère nettement et n'évolue pas au même rythme, les tremblements de terre ont tendance à se terminer au niveau de la jonction.

Actuellement, la tension modélisée dans l'étude a atteint 3,6 MPa sur le tronçon San-Jacinto-Bernardino, dépassant ainsi la valeur la plus élevée de la simulation sur 1'000 ans. Sur le segment Mojave-Sud voisin de la faille de San Andreas, elle est de 2,8 MPa. La tension des deux segments est donc élevée et configurée de manière relativement similaire au cours du temps - une situation qui s'est souvent produite dans le passé avant des séismes communs. « Ce qui nous inquiète, ce n'est pas seulement que les tensions atteignent des sommets historiques, mais que les conditions de tension relatives entre les deux systèmes de failles se rapprochent maintenant de la zone que nous associons aux grands séismes qui traversent les deux systèmes simultanément. Et c'est un scénario avec des conséquences nettement plus importantes pour la région », explique Burkhard.

Risque accru dans les régions densément peuplées
Un tremblement de terre conjoint de la faille San Andreas et de la faille San Jacinto, qui traverserait le col de Cajon, serait un événement nettement plus lourd de conséquences qu'un événement limité à une seule faille. La région touchée comprend certains des corridors les plus densément peuplés et critiques en termes d'infrastructures des États-Unis, notamment l'agglomération de Los Angeles, San Bernardino, Riverside et la vallée de Coachella. Le col de Cajon lui-même est traversé par d'importantes autoroutes, voies ferrées et infrastructures énergétiques.

« L'un des problèmes les plus urgents des géosciences appliquées est de savoir quand et comment le prochain grand séisme se produira dans cette région. Nos résultats fournissent une image plus claire, basée sur la physique, de l'état de tension actuel du système. Le cadre que nous avons développé peut être appliqué non seulement à la Californie, mais aussi à d'autres systèmes de failles complexes dans le monde entier », explique Burkhard.

Burkhard souligne toutefois que l'étude ne permet pas de prédire quand un tremblement de terre aura lieu : « Ce que nous pouvons dire, c'est que le système est soumis à une charge critique et que les modèles basés sur la physique comme le nôtre donnent une image plus claire de l'éventail des scénarios auxquels nous devrions être préparés. Ces informations sont importantes pour l'évaluation des risques, la planification des infrastructures et la préparation aux situations d'urgence.»