Structure fine de la plaque et mécanisme des séismes profonds sous le Japon central

Des séismes là où les roches ne devraient pas se fracturer

La plupart des séismes surviennent près de la surface terrestre, où les roches froides et fragiles peuvent se rompre. Pourtant, certains des plus puissants tremblements secouent à des centaines de kilomètres de profondeur, dans des zones si chaudes et comprimées que les roches devraient plutôt s’écouler que se fracturer. Cette étude scrute les profondeurs sous le Japon central pour cartographier la structure cachée d’une plaque océanique en plongée et révèle comment de subtiles variations minéralogiques et des traces d’eau peuvent déclencher ces mystérieux séismes profonds.

Un quartier animé au fond de la terre sous le Japon

Le Japon central se trouve à une croisée géologique où plusieurs plaques tectoniques entrent en collision et s’enfoncent les unes sous les autres. Une portion ancienne et froide du plancher océanique pacifique plonge sous le Japon, formant une gigantesque dalle rocheuse qui s’enfonce dans le manteau terrestre. Comme le Japon est équipé de sismomètres sensibles et dispose de décennies d’enregistrements sismiques de haute qualité, cette région constitue un laboratoire naturel idéal pour étudier comment et où surviennent les séismes profonds à l’intérieur de la plaque en subduction.

Voir à l’intérieur d’une plaque en plongée

Les auteurs ont analysé 572 séismes de plus de 300 kilomètres de profondeur enregistrés par plus d’une centaine de stations sismiques. En utilisant une technique d’imagerie avancée appelée tomographie par différence double, ils ont suivi la vitesse de propagation de différents types d’ondes sismiques à travers la plaque. Les variations de vitesse révèlent des changements de propriétés des roches, un peu comme les scanners médicaux révèlent les structures à l’intérieur du corps humain. Les nouvelles images montrent une bande à basse vitesse frappante à l’intérieur de la dalle pacifique à des profondeurs d’environ 330 à 380 kilomètres, prise en sandwich entre des régions à vitesse plus élevée au-dessus et au-dessous. Ce schéma en trois couches est bien plus fin que ce que pouvaient résoudre les modèles antérieurs.

Une langue cachée de transformation retardée

Pour interpréter ces motifs, l’étude se concentre sur l’olivine, un minéral verdâtre courant qui domine le manteau supérieur terrestre. Sous de fortes pressions, l’olivine devrait se transformer en formes plus denses. Mais dans des dalles très froides, cette transformation peut être retardée, laissant un noyau d’olivine « hors d’équilibre » connu sous le nom de coin métastable. Les résultats de la tomographie correspondent à cette idée : la couche médiane à basse vitesse marque probablement une zone en forme de langue où l’olivine se transforme activement, tandis que les couches au-dessus et en dessous abritent des formes minérales plus stables. De subtiles différences entre les vitesses d’ondes suggèrent aussi que de faibles quantités d’eau sont présentes autour de cette zone métastable, même à ces profondeurs extrêmes.

Eau, compression et rupture en chaîne

L’équipe a également examiné comment la dalle est comprimée et étirée en analysant de nombreux mécanismes focaux des séismes, qui renseignent sur le mode de glissement de chaque événement. À des profondeurs intermédiaires, la dalle est principalement en extension, en accord avec des études antérieures qui relient les séismes là-bas à la décomposition de minéraux riches en eau. En dessous d’environ 300 kilomètres, cependant, l’état de contrainte s’inverse : la dalle est comprimée le long de son axe. Dans ce domaine plus profond, selon les auteurs, de petites poches d’olivine situées au bord du coin métastable s’effondrent soudainement en minéraux plus denses sous compression, formant des « anticraques » pouvant se relier entre eux pour créer des failles. De petits séismes démarrent probablement autour du pourtour du coin, où certains minéraux contenant de l’eau se déshydratent et accélèrent cette transformation. À mesure que ces ruptures croissent, elles peuvent se propager vers l’intérieur plus sec du coin et au-delà, produisant des séismes en foyer profond de plus grande ampleur.

Pourquoi ces séismes profonds importent

L’étude conclut que les séismes profonds sous le Japon central s’expliquent au mieux par un processus combiné : des transformations minérales dans un coin d’olivine froid et métastable, amplifiées par la déshydratation à grande profondeur et guidées par l’état de contrainte de la dalle. Ce travail fournit l’une des images les plus nettes à ce jour de ce coin caché et de son zonage interne, reliant la physique minérale, l’eau dans la Terre profonde et les schémas sismiques observés. Si les détails peuvent varier dans d’autres zones de subduction, ces résultats rapprochent les scientifiques d’une explication générale sur la façon dont les roches peuvent se fracturer là où, selon les règles ordinaires, elles devraient simplement se plier.

Citation: Zhang, X., Jiang, G., Zhao, D. et al. Fine slab structure and mechanism of deep earthquakes beneath central Japan. Commun Earth Environ 7, 256 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03280-x

Mots-clés: séismes en foyer profond, zones de subduction, trouée du Japon, coin métastable de olivine, tomographie sismique