Les chercheurs de Caltech ont utilisé des techniques d’imagerie avancées pour étudier l’augmentation de l’activité sismique dans la caldeira de Long Valley en Californie, un supervolcan endormi. Leurs résultats suggèrent que la région n’est pas au bord d’une éruption majeure mais connaît une activité sismique due aux processus de refroidissement.
Les chercheurs de Caltech ont utilisé des techniques d’imagerie avancées pour étudier l’augmentation de l’activité sismique dans la caldeira de Long Valley en Californie, un supervolcan endormi.
Depuis les années 1980, les chercheurs ont observé d’importantes périodes de troubles dans une région des montagnes de l’est de la Sierra Nevada en Californie, caractérisées par des essaims de tremblements de terre ainsi que par un gonflement et une élévation du sol de près d’un demi-pouce par an pendant ces périodes. L’activité est préoccupante car la zone, appelée la caldeira de Long Valley, se trouve au sommet d’un immense supervolcan endormi. Il y a sept cent soixante mille ans, la caldeira de Long Valley s’est formée lors d’une violente éruption qui a envoyé 650 kilomètres cubes de cendres dans l’air, un volume qui pourrait recouvrir toute la région de Los Angeles dans une couche de sédiments d’un kilomètre d’épaisseur.
L’imagerie révolutionnaire révèle des informations
Qu’est-ce qui se cache derrière l’augmentation de l’activité au cours des dernières décennies ? Se pourrait-il que la zone se prépare à une nouvelle éruption ? Ou la reprise de l’activité pourrait-elle être le signe que le risque d’une éruption massive diminue ?
Pour répondre à ces questions, les chercheurs de Caltech ont créé les images souterraines les plus détaillées à ce jour de la caldeira de Long Valley, atteignant des profondeurs allant jusqu’à 10 kilomètres dans la croûte terrestre. Ces images à haute résolution révèlent la structure de la terre sous la caldeira et montrent que la récente activité sismique est le résultat de la libération de fluides et de gaz lorsque la zone se refroidit et se stabilise.
Que se passe-t-il sous la surface de la caldeira de Long Valley, site d’une éruption massive de supervolcan il y a 760 000 ans ? Une nouvelle étude utilise les ondes sismiques pour imager l’environnement souterrain de la région et révèle que la chambre magmatique se refroidit. Cependant, des tremblements de terre peuvent encore résulter des gaz et des fluides libérés par la cristallisation du magma. Crédit : E. Biondi
Les travaux ont été menés dans le laboratoire de Zhongwen Zhan (PhD ’14), professeur de géophysique. Un article décrivant la recherche a été publié le 18 octobre dans la revue Avancées scientifiques.
« Nous ne pensons pas que la région se prépare à une autre éruption supervolcanique, mais le processus de refroidissement pourrait libérer suffisamment de gaz et de liquide pour provoquer des tremblements de terre et de petites éruptions », explique Zhan. « Par exemple, en mai 1980, il y a eu quatre tremblements de terre de magnitude 6 rien que dans la région. »
L’image haute résolution montre que la chambre magmatique du volcan est recouverte d’un couvercle durci de roche cristallisée, formé lorsque le magma liquide refroidit et se solidifie.
Techniques d’imagerie innovantes
Pour créer des images souterraines, les chercheurs déduisent à quoi ressemble l’environnement souterrain en mesurant les ondes sismiques des tremblements de terre. Les tremblements de terre génèrent deux types d’ondes sismiques : primaires (ondes P) et secondaires (ondes S). Les deux types de vagues se propagent à des vitesses différentes à travers différents matériaux : les vagues sont ralenties par des matériaux élastiques comme les liquides, mais se propagent rapidement à travers des matériaux très rigides comme la roche. L’utilisation de sismomètres à différents endroits permet de mesurer les écarts dans le timing des vagues et de déterminer les caractéristiques des matériaux (à quel point ils sont élastiques ou rigides) à travers lesquels ils ont voyagé. De cette manière, les chercheurs peuvent créer des images de l’environnement souterrain.
Bien qu’il existe plusieurs dizaines de sismomètres répartis dans la région orientale de la Sierra, la technique de Zhan utilise des câbles à fibres optiques (comme ceux qui fournissent Internet) pour effectuer des mesures sismiques dans le cadre d’un processus appelé détection acoustique distribuée (DAS). Le tronçon de câble de 100 kilomètres utilisé pour imager la caldeira de Long Valley était comparable à un tronçon de 10 000 sismomètres mono-composant. Pendant un an et demi, l’équipe a utilisé le câble pour mesurer plus de 2 000 événements sismiques, la plupart trop petits pour être ressentis par les humains. Un algorithme d’apprentissage automatique a traité ces mesures et développé l’image résultante.
Cette étude est la première fois que des images aussi profondes et à haute résolution sont créées avec DAS. Les images précédentes issues d’études de tomographie locale se limitaient soit à l’environnement souterrain peu profond à des profondeurs d’environ 5 kilomètres, soit couvraient une zone plus vaste avec une résolution plus faible.
« C’est l’une des premières démonstrations de la façon dont le DAS peut changer notre compréhension de la dynamique crustale », déclare Ettore Biondi, scientifique DAS à Caltech et premier auteur de l’article. « Nous sommes ravis d’appliquer une technologie similaire à d’autres régions où nous sommes curieux de connaître l’environnement souterrain. »
Entreprises futures
Ensuite, l’équipe prévoit d’utiliser un câble de 200 kilomètres pour imager encore plus profondément dans la croûte terrestre, jusqu’à environ 15 à 20 kilomètres de profondeur, là où la chambre magmatique de la caldeira, son « cœur battant », se refroidit.
En plus de Biondi et Zhan, les co-auteurs sont Weiqiang Zhu, ancien boursier postdoctoral de Caltech, maintenant de l’UC Berkeley ; Jiaxuan Li, chercheur postdoctoral à Caltech ; et Ethan Williams, ancien étudiant diplômé de Caltech (MS ’19, PhD ’23), maintenant du Université de Washington. Le financement a été fourni par la National Science Foundation, le Resnick Sustainability Institute de Caltech et la Fondation Gordon et Betty Moore.
