Mots clés : séisme, faille inverse, thermochronologie, pétrologie métamorphique, satellite radar, Sichuan, Longmen Shan, Pengguan, Beichuan, glissement de terrain

Le séisme du Sichuan (12 mai 2008) et le contexte géodynamique des Longmen Shan : observations multi-échelles de temps

Vincent Godard

CEREGE, Université Aix-Marseille

Julia de Sigoyer

Laboratoire de Géologie, ENS, Paris

Marcello de Michele

BRGM, Orléans

Manuel Pubellier

Laboratoire de Géologie, ENS, Paris

Alexandra Robert

Laboratoire de Géologie, ENS, Paris

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

05 - 03 - 2010

Résumé

Observations de terrains sur les principales failles mises en jeu lors du séisme du Sichuan (12 mai 2008).


Le séisme d'Haïti du 12 janvier 2010 a moins d'un mois, et il n'y a pas actuellement d'étude post-sismique développée et publiée. Ne sont disponibles que des études pré-sismiques du contexte géologique et géodynamique et les études sismologiques de type mécanisme au foyer. Le séisme au large du Chili du 26 février 2010 est encore plus récent. L'un des derniers grands séismes avant celui du Chili (magnitude 8,8) fut le séisme du Sichuan, le 12 mai 2008 (magnitude 7,9) .Presque deux ans se sont écoulés depuis ce séisme, et aux études pré- et syn-sismiques se rajoutent maintenant des études post-sismiques dont une compilation est présentée ici..

Situation et contexte

La chaîne des Longmen Shan

La chaîne des Longmen Shan marque la limite entre le plateau tibétain et le bassin du Sichuan. Elle a la particularité de présenter un des gradients topographiques régionaux les plus élevés sur Terre. En effet, l'altitude moyenne passe de ~500 m au niveau du bassin du Sichuan à ~3500 m sur le Plateau Tibétain en 60 km de distance horizontale.

Figure 1. Vue générale de l'Asie

Vue générale de l'Asie
Vue générale de l'Asie

L'étoile rouge localise l'épicentre du séisme du Sichuan du 12 mai 2008, en Asie du SE, entre le plateau du Tibet et la bassin du Sichuan.


Figure 2. La chaîne des Longmen-Shan

La chaîne des Longmen-Shan
La chaîne des Longmen-Shan

L'étoile rouge localise l'épicentre du séisme du Sichuan du 12 mai 2008, en Asie du SE, entre le plateau du Tibet et la bassin du Sichuan.


Figure 3. Carte de situation de la région des Longmen Shan

Carte de situation de la région des Longmen Shan
Carte de situation de la région des Longmen Shan

Les traces de la rupture (traits rouges continus), liées au séisme du 12 mai 2008, pour les failles de Pengguan et Beichuan sont celles cartées par Liu-Zeng et al. (2009). Le tenseur des contraintes (mécanisme au foyer) est positionné à l'épicentre du séisme. Le trait rouge discontinu indique la faille du Wenchuan, faille qui n'a probablement pas rejoué lors du séisme du 12 mai 2008 et dont l'activité au cours du Cénozoïque est débattue (active ou non au Quaternaire ?).


La régime géodynamique de cette chaîne de montagnes est souvent considéré comme problématique car, en dépit de cette marche topographique très marquée, le raccourcissement récent (vu par la géomorphologie) et actuel (vu par les mesures GPS, Shen et al. , 2005) est assez modeste (<3 mm/an). De plus, l'enregistrement sédimentaire dans la partie Est du bassin du Sichuan, à proximité des Longmen Shan, montre qu'il y a très peu de sédimentation quaternaire et pas de flexuration du bassin par la chaîne (Burchfiel et al ., 2005). Il se pose donc la question de savoir comment évolue la topographie des Longmen Shan sur le long terme et en particulier quels sont les mécanismes qui permettent son maintien à haute altitude (Hubbard et Shaw, 2009; Burchfiel et al. , 2008).

Le séisme du Sichuan

Le séisme du Sichuan, de magnitude 7,9, a frappé la chaîne des Longmen Shan le 12 mai 2008. Avec près de 70.000 victimes, c'est l'une des plus importantes catastrophes naturelles survenues en Chine depuis le séisme de Tangshan en 1976 (240.000 victimes officielles, mais peut-être jusqu'à trois fois plus en réalité). Deux segments de faille ont rompu lors du séisme : (1) la faille majeure de Beichuan, qui est la principale structure active des Longmen Shan, et (2) l'un des chevauchement du front, la faille de Ganxian (aussi nommée faille de Pengguan). La rupture s'est initiée dans la partie centrale de la chaîne (épicentre indiqué sur la figure 3) puis s'est propagée vers le nord, pour atteindre une longueur finale de plus de 200 km, ce qui en fait une des plus grandes ruptures chevauchantes jamais observées en contexte intracontinental. La distribution de la rupture et sa répartition entre les deux failles sont assez complexes. Sur la faille principale de Beichuan le mouvement se reparti de manière a peu près égale en jeu inverse et décrochant dextre, alors que sur la faille de Pengguan il est quasiment exclusivement inverse (Lin et al. , 2009; Liu-Zeng et al. , 2009, de Michele et al. , sous presse). La secousse s'est traduite par de très importantes destructions des villes et villages le long des failles de Beichuan et Pengguan, ainsi que par le déclenchement de nombreux glissements de terrains au travers de l'ensemble de la chaîne.

Jeu à long terme (quelques millions d'années) sur la faille de Beichuan

Vu par la thermochronologie basse-température

La thermochronologie basse-température fait partie des méthodes de datation absolue. Elle regroupe un ensemble de méthodes radiométriques (traces de fissions, Ar/Ar, (U-Th)/He) qui sont caractérisées par des températures de fermeture du système isotopique basses (<400°C). L'âge obtenu correspond au passage de l'échantillon, lors de son exhumation (par la tectonique et l'érosion), au travers de l'isotherme de clôture du système de datation, à des profondeurs relativement faibles à l'échelle de la croûte. Ces méthodes donnent donc accès à la vitesse d'exhumation des roches dans la partie terminale de leur trajet vers la surface. L'un des intérêts de ces techniques est que l'on peut comparer les vitesses d'exhumation de part et d'autre d'une faille et donc contraindre la quantité de jeu vertical au travers de celle-ci (il n'est, par contre, pas possible d'obtenir d'informations sur un éventuel jeu décrochant).

Figure 4. Coupe au travers des Longmen Shan présentant la reconstruction de la paléo-isotherme 180°C

Coupe au travers des Longmen Shan présentant la reconstruction de la paléo-isotherme 180°C
Coupe au travers des Longmen Shan présentant la reconstruction de la paléo-isotherme 180°C

La reconstruction des décalages de la paléo-isotherme 180°C permet de contraindre le jeu long-terme des principales failles depuis 10 Ma. L'enveloppe grisée indique les valeurs minimales et maximales de la topographie au travers de la coupe. L'isotherme 180° actuelle est déduite des mesures du gradient thermique.


Dans le cas de la chaîne des Longmen Shan, des datations (U-Th)/He sur zircons et d'autres données thermochronologiques ont permis de contraindre la position actuelle de l'ancienne isotherme 180°C à 10 Ma qui a été exhumée près de la surface lors du soulèvement de la chaîne et de son érosion (Godard et al. , 2009). Les données thermochronologiques collectées au sein des différents compartiments indiquent que le niveau repère que constitue cette paléo-isotherme a été décalé par l'activité des failles. En particulier la faille de Beichuan montre un décalage très net cumulé depuis 10 Ma entre la position de la paléo-isotherme dans les Longmen Shan et dans le Bassin du Sichuan. Ceci permet de contraindre le jeu inverse à long terme sur cette faille, avec un jeu moyen inverse compris entre 0,4 et 1 mm/an. Si l'on considère un mouvement inverse moyen de ~5 m sur la faille de Beichuan lors de la rupture du séisme de mai 2008, cela permet de proposer, au premier ordre, que le temps de récurrence de ce type d'événement est supérieur à 5000 ans.

Inversement, on n'observe pas de décalage de la paléo-isotherme au niveau de la faille de Wenchuan située plus en arrière dans la chaîne, ce qui semble indiquer que cette structure n'a pas accommodé de jeu normal ou inverse depuis 10 Ma. Là encore, cette approche ne nous donne pas d'informations sur un éventuel jeu décrochant. Enfin, la comparaison des données thermochronologiques de part et d'autre des chevauchements frontaux semble indiquer qu'ils présentent aussi une activité mais nettement moindre que celle vue sur la faille de Beichuan. Il est important de garder à l'esprit, en comparant ces valeurs moyennes d'activité sur 10 Ma avec le comportement des failles sur un séisme, qu'il existe une variabilité importante d'un séisme à un autre.

Vu par la pétrologie métamorphique

Figure 5. Coupe géologique au travers de la chaîne des Longmen Shan

Coupe géologique au travers de la chaîne des Longmen Shan
Coupe géologique au travers de la chaîne des Longmen Shan

Cette coupe géologique au travers de la chaîne des Longmen Shan présente les données de pic de température pour les différentes unités.


Pour tenter de caractériser le rejeu total de la faille de Beichuan depuis le début de son fonctionnement, nous avons initié une étude métamorphique. En effet, la faille de Beichuan a permis l'exhumation du socle cristallin (le massif du Pengguan) et son chevauchement sur les sédiments de l'avant pays. Nous avons acquis des données de températures maximales (environ 350°C±30°C) atteintes par les roches dans les sédiments situés dans le mur de la faille (avant pays), grâce à un thermomètre basé sur la graphitisation du carbone organique (Beyssac et al. , 2002, de Sigoyer et al. , 2008). Le toit de la faille, constitué de granodiorite du massif du Pengguan, présente de nombreuses veines remplies de minéraux métamorphiques caractéristiques du faciès schistes verts (chlorite, muscovite, épidote) (figure 5). Les premières données thermobarométriques basées sur la méthode des équilibres multiples micas blancs chlorite (Rimmelé et al. , 2004 ) indiquent des pressions de l'ordre de 10 kbar et des température de 350°C pour le pic du métamorphisme (figure 5, de Sigoyer et al. , 2008). Si ces estimations sont confirmées, elles suggèrent que les veines se sont formées alors que le massif de Pengguan se situait à 25 km de profondeur dans un contexte froid. Nous ne disposons pour l'instant d'aucune information sur l'âge de ce métamorphisme.

Observations de la rupture sur le terrain

Faille de Pengguan

Le village de Bailu, sur le trajet de la faille de Pengguan (figure 3) est l'un des sites où les effets de la secousse sismique sont les plus marqués. Nous présentons ici quelques observations de terrain à proximité de ce village qui montrent des exemples des manifestations d'un jeu inverse. Dans ce type d'environnement sub-tropical soumis à un régime de mousson et doté d'une végétation abondante, les marqueurs morphologiques de la rupture disparaissent rapidement. C'est particulièrement vrai pour les failles inverses en raison de l'effondrement du compartiment supérieur chevauchant. La morphologie de la zone de rupture est encore nettement visible 7 mois après le séisme. En dehors des zones de construites, l'érosion et la végétation dégradent très rapidement les escarpements de failles.


Figure 7. Schéma de faille inverse arrivant en surface

Schéma de faille inverse arrivant en surface
Schéma de faille inverse arrivant en surface

La partie chevauchante s'effondre sur la partie chevauchée. Dans des matériaux meubles, stries et miroirs de faille s'observent éventuellement peu de temps après les mouvements (avant effondrement, ravinement, remaniement).


Les figures 6 et 8 montrent l'escarpement de faille passant au travers d'une cours d'école et d'une rue du village, le décalage vertical entre les deux compartiments est à chaque fois de 2-3 m. Il est difficile, au niveau de ces sites de quantifier le jeu décrochant, mais les observations sur l'ensemble de la faille de Pengguan montrent que cette composante est assez limitée, i.e. le jeu sur cette faille est quasiment purement inverse (Liu-Zeng et al ., 2009).


Faille de Beichuan

La rupture au niveau de la faille Beichuan est nettement plus complexe et difficile à observer, en partie en raison de (1) la géométrie particulière de cette zone de faille, (2) la topographie plus importante, (3) le couvert végétal plus développé, (4) le mouvement à la fois inverse et décrochant et (5) les dégâts considérables liés à cette rupture font qu'elle est souvent recouverte de gravats. La rupture le long de la faille de Beichuan est orientée N 50°. Le pendage de la faille est extrêmement difficile à estimer, mais il semble varier du sud (plus faible) au Nord (plus fort) (figure 9). Le mécanisme au foyer sur cette faille indique une composante en chevauchement et une en décrochement dextre. Ces deux composantes sont observées sur la faille de Beichuan. Le rejeu vertical de la faille dépasse les 5 m (figure 10), son rejeu dextre est de l'ordre de 3 m.


Figure 10. Exemples de manifestations de la rupture sur la partie Sud de la faille de Beichuan

Exemples de manifestations de la rupture sur la partie Sud de la faille de Beichuan
Exemples de manifestations de la rupture sur la partie Sud de la faille de Beichuan

(a) Segment de route basculé le long du tracé de la faille ; (b) pont effondré (c) escalier décalé par un escarpement de faille (il ne s'agit pas de la faille principale mais d'une structure satellite). Localement, au niveau de l'escalier (c), aucune composante latérale ne peut être mesurée.


Glissements de terrain

La secousse liée au séisme a déclenché un nombre très important de glissements de terrains au travers de l'ensemble de la chaîne. Ces glissements ont transporté une quantité importante de matériel depuis les pentes vers les fonds de vallée (figure 11), créant des barrages temporaires sur les cours d'eau avec développement de lacs de barrages. Les dépôts mal consolidés qui forment les barrages peuvent céder très facilement, libérant brutalement d'importantes masses d'eau et provoquant des inondations catastrophiques en aval. Les équipes de secours ont donc dû travailler rapidement pour vidanger ces lacs et permettre le libre écoulement des rivières.



On rencontre dans la chaîne des Longmen Shan de nombreuses formations lacustres sur les flancs des vallées qui témoignent de la mise en place de tels lacs lors des séismes passés. Une de ces formations peut par exemple être observée au niveau de la ville de Wenchuan (figure 13, voir la figure 3 pour la localisation). À cet endroit les flancs de la vallée sont complètement recouverts par des dépôts silto-sableux, sur un épaisseur de 150 m. La datation "carbone 14" d'une coquille de gastéropode au sein de ce dépôt a donné un âge de ~3000 ans (Godard et al. , 2010). De nombreuses investigations sont actuellement en cours pour mieux connaître la paléo-sismologie de la région des Longmen Shan, et permettront de savoir si un événement important a eu lieu à cette période qui pourrait expliquer la mise en place de ce glissement de terrain et de ce lac.

Figure 13. Wenchuan : situation et panorama

Wenchuan : situation et panorama
Wenchuan : situation et panorama

(a) Carte de situation aux environs de la ville de Wenchuan. Les traits rouges indiquent la position d'un ancien glissement de terrain ayant barré la rivière Min. Les polygones verts indiquent les emplacements d'affleurements de dépôts lacustres associées à un lac temporaire dont le développement est lié à la mise en place de ce glissement de terrain. Ces dépôts sont vieux de ~3 000 ans (âge carbone 14). L'aire bistre hachurée indique l'extension supposée du lac sur la base de l'altitude maximale des dépôts lacustres.

(b) Panorama sur l'un des affleurements où les dépôts lacustres sont visibles.


Le séisme du Sichuan vu par la géodésie

Les données issues du radar à synthèse d'ouverture embarqué sur le satellite japonais ALOS ( Advanced Land Observing Satellite ) ont été utilisées pour cartographier la rupture co-sismique du séisme de Sichuan et ainsi identifier les failles qui, en première approximation, ont été réactivées pendant le séisme (de Michele et al. , 2009). En effet, en analysant le décalage sub-pixellaire des images d'amplitude radar acquises avant et après les séismes, il est possible d'apporter une information quantitative qui permet de mieux comprendre la géométrie de la rupture, son extension et l'expression à la surface de la segmentation des failles concernées. Cette corrélation d'images montre que la rupture a été complexe ; elle s'est principalement propagée le long de deux failles (figure 14). Les analyses d'images radar montrent qu'il y a un glissement en chevauchement pur sur la faille de Pengguan, localisée au front de la chaîne, sur une longueur de 65 km. La rupture est arrivée en surface sur plus de 300 km sur la faille de Beichuan (d'où la magnitude importante du séisme). La corrélation d'images d'amplitude radar suggère que le glissement est purement chevauchant dans la partie Sud de la faille Beichuan alors qu'au Nord une composante dextre est observée. Les cartes géologiques de la région montrent que dans sa partie Sud la faille de Beichuan a permis l'exhumation du massif cristallin du Pengguan à l'Ouest. Alors que dans la zone Nord de la faille le massif cristallin n'a pas été exhumé, la faille de Beichuan limite des terrains métasédimentaires du Néoprotérozoique de la couverture d'avant chaîne. Ainsi, sur le long terme, elle est probablement active depuis le Miocène, il y a eu plus d'exhumation cumulée dans la partie au Sud de la faille de Beichuan qu'au Nord. Ainsi il n'est pas impossible que la déformation long terme résulte d'une accumulation de séismes ayant connu un partitionnement de la déformation similaire à celui enregistré lors du séisme du 12 mai 2008 engendrant plus d'exhumation au Sud qu'au Nord.

Figure 14. Déplacements de la surface du sol liés au séisme du 12 mai 2008 dans la région des Longmen Shan, vus par corrélation d'image satellitaire radar

Déplacements de la surface du sol liés au séisme du 12 mai 2008 dans la région des Longmen Shan, vus par corrélation d'image satellitaire radar
Déplacements de la surface du sol liés au séisme du 12 mai 2008 dans la région des Longmen Shan, vus par corrélation d'image satellitaire radar

Données ALOS/PALSAR acquises dans le cadre de la Charte Internationale "Espace et catastrophes majeurs".

Par comparaison d'images radar prises avant et après un séisme, il est possible (1) de reconnaître des points et structures repères et (2) de comparer la position relative de ces repères au cours du temps. Une image "résultat" donne par un code couleur la valeur du déplacement selon une direction d'analyse (une gamme de couleur par sens de déplacement le long de la direction d'analyse). Une faille va correspondre à la limite entre deux zones colorées homogènes, c'est-à-dire entre deux zones de mouvements relatifs opposés, ou entre deux zones avec des mouvement de même sens mais d'amplitudes différentes.


Conclusion

Figure 15. Contexte géodynamique régional de l'Asie du Sud-Est - Inde - Himalaya

Contexte géodynamique régional de l'Asie du Sud-Est - Inde - Himalaya
Contexte géodynamique régional de l'Asie du Sud-Est - Inde - Himalaya

Contexte géodynamique des failles ayant engendré le séisme du Sichuan (cercle rouge). Les composantes inverse et décrochante dextre de ce système de failles sont représentées par les symboles classiques.

La grosse flèche bleue indique le mouvement de l'Inde vers le nord. Les flèches blanches indiquent les mouvements d'expulsion vers l'est des blocs de l'Asie du Sud-Est.


Le séisme du Sichuan s'inscrit dans le contexte géodynamique de raccourcissement lent au travers de la bordure Est du plateau tibétain. Cette dynamique a pu être documentée sur le long-terme par différentes méthodes. La structure active principale à l'échelle de la fin du Cénozoïque est la faille de Beichuan qui accommode l'essentiel de la convergence. Toutefois, la distribution de la rupture associée au séisme est plus complexe, avec (1) une contribution importante de la faille de Guanxian (ou faille de Pengguan) qui implique un décollement d'une partie de la couverture sédimentaire du bassin du Sichuan et (2) une composante décrochante significative sur la faille de Beichuan. En considérant la quantité de raccourcissement enregistrée lors de séisme du Sichuan du 12 mai 2008 (de l'ordre de 4,2 m sur les deux failles), ainsi que les vitesses de convergence indiquées par le GPS (Shen et al. , 2005) (1,5 ± 1 mm/an) on obtient un temps de récurrence de l'ordre de ~3000 ans, compatible avec les estimations proposées par Burchfield et al. (2008) et Godard et al. (2009). D'une manière générale, les données que nous avons acquises sur les failles activées lors du séisme du Sichuan du 12 mai 2008 montrent qu'il est compatible avec un raccourcissement localement EW appliqué sur des structures héritées avec une orientation N 50° ce qui a induit un partitionnement de la déformation. Un axe de recherche majeur dans les années à venir va consister à améliorer notre connaissance du contexte tectonique de la chaîne des Longmen Shan afin de (1) préciser le temps de récurrence de séismes de magnitude similaire à celui du 12 mai 2008 et de (2) comprendre leur contribution à l'évolution topographique et géodynamique de cette bordure du plateau tibétain.

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Mots clés : séisme, faille inverse, thermochronologie, pétrologie métamorphique, satellite radar, Sichuan, Longmen Shan, Pengguan, Beichuan, glissement de terrain