Effets des hétérogénéités de frottement à l’interface des plaques sur la dynamique du cycle sismique dans les zones de subduction

Pourquoi certains grands séismes s’arrêtent tandis que d’autres se propagent

Le long des fosses océaniques profondes, de grands séismes parcourent parfois des centaines de kilomètres de faille, tandis que d’autres ruptures s’arrêtent ou glissent silencieusement sans secousses importantes. Cette étude pose une question simple mais cruciale : quand les reliefs d’une plaque en subduction contribuent-ils à arrêter les séismes destructeurs, et quand échouent‑ils à le faire ? En combinant expériences de table, modèles numériques et systèmes de faille réels en Alaska et dans l’Himalaya, les auteurs mettent en évidence une règle de taille étonnamment simple qui aide à déterminer si ces structures agissent comme des bloqueurs fiables ou simplement comme des ralentisseurs pour les mégathrusts.

Rugosité cachée sous la mer

Lorsque une plaque océanique plonge sous un continent, sa surface est loin d’être lisse. Seamounts, dorsales et autres bosses sont entraînés dans la zone de subduction, créant des zones où les plaques se verrouillent et accumulent de la déformation, ou glissent plus doucement l’une contre l’autre. Les zones verrouillées sont susceptibles de provoquer des séismes soudains et dommageables, tandis que les zones qui coulent peuvent se comporter en barrières qui ralentissent ou arrêtent les ruptures. Les levés du plancher océanique et l’historique sismique montrent que certaines régions rugueuses semblent interrompre de grands séismes, mais ailleurs des caractéristiques similaires coexistent avec des événements puissants. Ce contraste suggère que non seulement la présence, mais aussi la taille et l’agencement de ces patchs de frottement contrôlent le déroulement des cycles sismiques.

Cycles sismiques sur une table de laboratoire

Pour ramener le problème à l’essentiel, les chercheurs ont construit une expérience à ressorts et blocs qui imite un patch de faille glissant sur une surface mixte. Un papier émeri fin et lisse représente des zones fortement verrouillées qui cèdent par des événements brusques de type « stick‑slip », comme des séismes classiques. Un papier émeri plus grossier se comporte plus faiblement, glissant de façon plus continue et représentant des barrières de glissement. Quand une seule barrière circulaire est petite, le système produit des glissements répétés et nets avec des signaux sismiques distincts. À mesure que la barrière grandit, les glissements deviennent plus petits et plus irréguliers, jusqu’à ce qu’au‑delà d’une aire critique d’environ 8 à 11 pour cent de la surface de contact, les événements soudains disparaissent et le mouvement devient lent ou asismique. L’équipe a aussi disposé de nombreuses petites barrières en lignes et en amas. Ils ont observé que des barrières alignées perpendiculairement à la direction de glissement laissent encore un mélange de glissements rapides et lents, tandis que des barrières alignées parallèlement au glissement favorisent un mouvement essentiellement calme et asismique.

Un simple rapport de longueur qui compte

À partir de ces résultats de laboratoire, les auteurs ont dégagé une mesure clé : la longueur le long de la faille d’une barrière de glissement divisée par la longueur totale du segment de faille dans lequel elle se trouve. Lorsque ce rapport reste en dessous d’environ un tiers, des zones verrouillées adjacentes peuvent céder ensemble, permettant aux ruptures de franchir la barrière. Une fois qu’il atteint environ 0,4 ou plus, les événements rapides de type stick‑slip ne traversent plus la barrière et le mouvement y est dominé par un glissement lent ou asismique.

Du Shumagin Gap à l’Himalaya

Les chercheurs ont ensuite appliqué le même cadre à deux contextes tectoniques très différents. Dans la zone de subduction Alaska–Aléoutiennes, une section relativement calme connue sous le nom de Shumagin Gap sépare des segments voisins qui ont produit de grands séismes. Les données géodésiques suggèrent que cette zone glisse principalement plutôt que de se verrouiller. Mise à l’échelle dans leur modèle, la section de glissement de Shumagin occupe environ 0,38 de la longueur combinée des segments, soit juste dans la plage critique où une barrière devrait bloquer de manière fiable de grandes ruptures traversantes. En revanche, les dorsales sous l’avant‑Himalaya, longtemps suspectées de diviser les grands séismes en segments distincts, occupent une fraction beaucoup plus petite de la longueur de l’arc. Les simulations montrent que sous des conditions de chargement réalistes, les ruptures peuvent souvent franchir ces reliefs, ce qui implique que certains séismes historiques de l’Himalaya ont pu être plus grands et plus longs que ne le suggère l’évidence de surface, parcellée, disponible.

Ce que cela signifie pour le risque futur

Ce travail suggère que le comportement des zones rugueuses à l’interface d’une subduction en tant que points d’arrêt fiables pour les séismes dépend non seulement de leur présence, mais de leur extension le long de la faille et de leur orientation par rapport au mouvement des plaques. Un rapport sans dimension simple — longueur de la barrière sur longueur de la faille — émerge comme un indicateur utile : quand ce rapport est faible, des zones verrouillées voisines peuvent se connecter dans des séismes multi‑segments ; quand il approche les deux cinquièmes, les patchs de glissement peuvent agir comme des barrières durables qui confinent les ruptures. Si les zones de subduction réelles ajoutent des complications comme la présence de fluides, de sédiments et des formes 3D complexes, cette étude montre qu’une règle géométrique de premier ordre peut aider à identifier où les plus grands séismes ont le plus de chances de s’arrêter et où ils peuvent se propager à travers des segments.

Citation: Ray, S., Ghosh, A., Kundu, B. et al. Effects of plate interface frictional heterogeneities on earthquake cycle dynamics in subduction zones. Sci Rep 16, 15396 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43399-7

Mots-clés: zone de subduction, séisme mégathrust, frottement de faille, barrière sismique, cycle sismique