L’étude de la faille au pied de l’Etna // The study of the fault at the foot of Mt Etna

Dans une note publiée le 13 novembre 2020, j’expliquais que plusieurs instituts de recherche avaient lancé le projet «Focus» qui suppose l’installation d’un nouveau système de surveillance des failles sous-marines à 2000 mètres de profondeur au large de Catane. Le but de l’opération était.d’étudier l’évolution de la croûte terrestre dans la zone du complexe volcanique de l’Etna.

Le Journal du CNRS donne des détails sur cette mission sous-marine. La compréhension des processus à l’œuvre près de la faille sismique a été possible grâce à la technique de l’interférométrie laser qui n’avait pas encore été employée à ces fins.

La campagne océanographique « FocusX1 » a été menée à bord du navire de recherche Pourquoi Pas ? de la flotte océanographique française. Une technologie à base d’interférométrie laser a été installée au fond  de la mer Méditerranée, à 2 100 mètres de profondeur et à une trentaine de kilomètres de Catane.

La finalité de la mission était de surveiller et surtout mieux comprendre une faille sismique sous-marine, en l’occurrence la faille Alfeo Nord; à une dizaine de kilomètres du flanc est de l’Etna. Cette faille sous-marine mesure 80 km de long au fond de la mer Ionienne.

Par le passé, cette région du sud de l’Italie a déjà été secouée par plusieurs séismes meurtriers comme celui de 1693, d’une magnitude de M 7,5 au sud de Catane qui a déclenché un tsunami et tué 40 000 personnes, ou celui de Messine en 1908 et ses 72 000 victimes.

Le nouveau dispositif va permettre d’en savoir plus sur la faille Alfeo Nord qui constitue la partie nord d’un système de failles actives sur le flanc sud-est de l’Etna. D’une longueur de 150 km, ce système a été cartographié pour la première fois lors de deux campagnes océanographiques en 2013 et 2014 par les scientifiques français et allemands. La faille Alfeo Nord est dite « décrochante » car le bloc à l’est se déplace vers le sud-est, le long de la faille, en coulissant. C’est le même type de faille que la faille nord-anatolienne en Turquie ou que la faille de San Andreas en Californie. Dans la mesure ou la faille Alfeo Nord se situe à moins de 20 km de Catane et son million d’habitants, elle pose potentiellement un risque sismique majeur.

Les failles sismiques de ce type présentent plusieurs comportements possibles. Elles peuvent glisser lentement comme certaines sections de la faille de San Andreas. Elles peuvent aussi avoir de petits mouvements irréguliers, provoquant de faibles séismes. Dans le pire scénario, il peut se produire un blocage pendant une longue, voire très longue, période. Le jouroù les contraintes se relâchent brutalement, il se produit un séisme de grande ampleur. Cela ne semble pas être le cas en Sicile. En 2018, une équipe de scientifiques allemands a constaté un lent effondrement du flanc Est de l’Etna dans la mer Méditerranée, à raison de quatre centimètres d’avril 2016 à juillet 2017.

Le CNRS explique que jusqu’ici l’interférométrie laser servait à assurer le suivi précis de grands ouvrages tels que les ponts, les barrages ou les tunnels. Dans le cas présent, l’utilisation de la technique de réflectométrie laser par effet Brillouin (BOTDR) consiste à «  interroger » la fibre optique en y injectant des impulsions laser. En s’y diffusant, celles-ci donnent une « carte d’identité optique » de la fibre, sensible à la moindre perturbation mécanique ou thermique extérieure.

Ainsi, depuis le port de Catane, un opérateur peut localiser tout mouvement de l’ordre de 50 micromètres à une distance de plusieurs dizaines de kilomètres, avec une marge d’erreur d’un mètre. Cette technologie n’a jamais été appliquée à l’étude des failles sous-marines. D’ici les cinq prochaines années, le dispositif déployé va permettre d’observer la déformation du fond de la mer dans le cadre du projet ERC Focus financé par l’Europe à hauteur de 3,5 millions d’euros.

Deux années ont été nécessaires pour concevoir et rassembler l’ensemble du matériel et des instruments optiques et acoustiques. Le cable a nécessité la mise au point d’une connectique spéciale, adaptée à la pression des grands fonds et aussi à l’observatoire câblé sous-marin déjà existant, le Test Site South (TSS) de l’Institut de physique de Catane (INFN-LNS). Pour calibrer ce dispositif technologique et être capable d’interpréter les signaux laser en termes de déformation du sous-sol sous-marin, huit balises acoustiques Canopus ont aussi été déployées de part et d’autre de la faille. Pour être certains de la fiabilité des signaux reçus, les scientifiques ont aussi prévu des boucles de mesures.

Le déploiement de tout ce matériel au fond de la mer a été réalisé du 6 au 21 octobre 2020. Partie de Toulon (Var), l’équipe a piloté le robot sous-marin Victor 6000 de l’Ifremer, chargé d’enfouir le câble de près d’un centimètre de diamètre, dans 20 cm de profondeur de sédiments, et à l’aide d’une charrue spécialement mise au point (voir image ci-dessous).

La campagne est un succès. Drâce au matériel déposé au fond de la mer Méditerranée, l’observatoire du port de Catane reçoit désormais en temps réel les échos des signaux lumineux circulant dans la fibre. Les techniciens scrutent maintenant le moindre signal susceptible d’indiquer un mouvement de la faille (entre 1 et 2 cm) et son activité.

On espère maintenant pouvoir mener deux nouvelles campagnes océanographiques. 1) « Focus G1 », à l’horizon de l’été 2021, effectuera des levés géodésiques du fond. 2) « Focus X2 », au début de l’année 2022, déploiera un réseau de 25 sismomètres au fond de la Méditerranée. Sont également prévus le carottage de sédiments, de la sismique légère et de la paléosismologie, c’est-à-dire la caractérisation de la sismicité à long terme, ou bien encore l’image de la déformation enregistrée dans les sédiments des fonds marins peu profonds.

Si cette percée technologique au large de la Sicile se confirme dans les prochaines années, on pourrait imaginer mettre à profit les réseaux de câbles de télécommunication mondiaux en un réseau sismologique à l’échelle de la planète.

Source : Journal du CNRS.

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In a post published on November 13th, 2020, I explained that several research institutes had launched the “Focus” project which involves the installation of a new system for monitoring underwater faults at 2000 metres deep off Catania. . The purpose of the operation was to study the evolution of the Earth’s crust in the area of ​​the Mt Etna volcanic complex.

The CNRS Journal gives details of this submarine mission. Understanding the processes at work near the seismic fault was made possible by the technique of laser interferometry which had not yet been used for these purposes. The “FocusX1” oceanographic campaign was carried out aboard the research vessel Pourquoi Pas? of the French oceanographic fleet. A technology based on laser interferometry has been installed at the bottom of the Mediterranean Sea, at a depth of 2,100 metres and about 30 kilometres from Catania.

The purpose of the mission was to monitor and above all better understand an underwater seismic fault, in this case the Alfeo Nord fault; about ten kilometeres from Mt Etna’s eastern flank. This submarine fault is 80 km long at the bottom of the Ionian Sea. In the past, this region of southern Italy was shaken by several deadly earthquakes like the one of 1693, with a magnitude of M 7.5 in the south of Catania, which triggered a tsunami and killed 40,000 people, or that of Messina in 1908 and its 72,000 victims. The new device will shed light on the Alfeo Nord fault, which forms the northern part of an active fault system on the southeast flank of MEtna. With a length of 150 km, this system was mapped for the first time during two oceanographic campaigns in 2013 and 2014 by French and German scientists. The Alfeo Nord fault is said to be « strike-slip » because the block to the east is sliding southeast along the fault. It is the same type of fault as the North Anatolian fault in Turkey or the San Andreas fault in California. As the Alfeo Nord fault is located less than 20 km from Catania and its million inhabitants, it potentially poses a major seismic risk.

Seismic faults of this type present several possible behaviours. They can slide slowly like some sections of the San Andreas Fault. They can also have small irregular movements, causing low intensity earthquakes. In the worst case scenario, a blockage can occur for a long or even a very long time. The day when the constraints are suddenly relaxed, there is a large-scale earthquake. This does not appear to be the case in Sicily. In 2018, a team of German scientists observed a slow collapse of Mt Etna’s eastern flank in the Mediterranean Sea, at a rate of four centimetres from April 2016 to July 2017.

CNRS explains that until now laser interferometry has been used for the precise monitoring of large structures such as bridges, dams or tunnels. In the case of the fault, the use of the Brillouin effect laser reflectometry (BOTDR) technique consists in « interrogating » the optical fiber by injecting laser pulses into it. By diffusing there, they give an « optical identity card » of the fiber, sensitive to the slightest external mechanical or thermal disturbance.

Thus, from the port of Catania, an operator can locate any movement of the order of 50 micrometres at a distance of several tens of kilometres, with a margin of error of one metre. This technology has never been applied to the study of underwater faults. Over the next five years, the device that has been deployed will make it possible to observe the deformation of the seabed as part of the3.5-million euro ERC Focus project funded by Europe.

It took two years to design and assemble all the optical and acoustic equipment and instruments. The cable required the development of a special connection, adapted to the pressure of the deep sea and also to the already existing underwater cable observatory, the Test Site South (TSS) of the Institute of Physics of Catania ( INFN-LNS). To calibrate this technological device and be able to interpret the laser signals in terms of deformation of the seabed, eight Canopus acoustic beacons were also deployed on either side of the fault. To be sure of the reliability of the received signals, the scientists have also planned measurement loops.

The deployment of all this equipment at the bottom of the sea was carried out from October 6th to 21st, 2020. Departing from Toulon (Var), the team piloted Ifremer’s Victor 6000 submarine robot, in charge of burying the cable – nearly one centimetre in diameter – in 20 cm depth of sediment, using a specially developed plow (see image below).

The campaign is a success. Thanks to the material installed at the bottom of the Mediterranean Sea, the observatory at the port of Catania now receives in real time the echoes of the light signals circulating in the fiber. Technicians are now scrutinizing the slightest signal likely to indicate movement of the fault (between 1 and 2 cm) and its activity. Scientists now hope to be able to conduct two new oceanographic cruises. 1) « Focus G1 », by summer 2021, will carry out geodetic surveys of the bottom. 2) « Focus X2 », at the start of 2022, will deploy a network of 25 seismometers at the bottom of the Mediterranean. Also planned are sediment coring, light seismic and paleoseismology, that is to say the characterization of long-term seismicity, or even the image of the deformation recorded in the sediments of the shallow seabed. If this technological breakthrough off the coast of Sicily is confirmed in the coming years, one could imagine harnessing the world’s telecommunication cable networks into a seismological network on a planet scale.

Source: CNRS Journal.

Le câble de six kilomètres de long a été déployé et ensouillé en utilisant une charrue conçue par l’Ifremer et déplacée par le ROV Victor 6000. (Source : IFREMER),

 

 

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