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Volcans sous-marins, subduction et séismes// Seamounts, subduction and earthquakes

Selon une nouvelle étude conduite par des chercheurs de l’Université de Memphis, et publiée en novembre 2023 dans le Journal of Geophysical Research : Solid Earth, un ancien volcan – ou mont – sous-marin (seamount en anglais) à cheval sur une plaque tectonique en train de s’enfoncer par subduction au large des côtes japonaises pourrait avoir déclenché plusieurs séismes majeurs inexpliqués par frottement contre une autre plaque tectonique située au-dessus.
Le volcan sous-marin éteint, connu sous le nom de Daiichi-Kashima Seamount, se trouve sur la plaque tectonique Pacifique, à environ 40 kilomètres de la côte est du Japon. C’est là que se rencontrent trois plaques tectoniques : la plaque Pacifique à l’est et la plaque Philippine au sud, qui glissent toutes deux sous la plaque Okhotsk au nord.

Contexte tectonique au Japon (Source : Wikipedia)

Le Daiichi-Kashima Seamount se trouve sur une partie de la plaque qui a commencé à s’enfoncer dans le manteau terrestre il y a entre 150 000 et 250 000 ans. Toutefois, ce volcan sous-marin est encore suffisamment proche de la surface – moins de 50 km de profondeur – pour déclencher des séismes. Alors que la majorité de l’activité sismique autour du Daiichi-Kashima Seamount se manifeste par de petites secousses, on a aussi enregistré plusieurs séismes avec des magnitudes M 7,0 et 7,8 en 1982 (M 7,0), 2008 (M 7,0) et 2011 (M 7,8). Jusqu’à présent, personne n’avait réussi à expliquer les causes de leur déclenchement.
Lorsqu’une plaque tectonique s’enfonce sous une autre plaque, les volcans sous-marins (seamounts) qui se trouvent à sa surface frottent la base de la plaque qui les surmonte. Une étude de 2008 a expliqué que ce frottement était trop faible pour déclencher de puissants séismes : il ne génère que de très petites secousses.

Source : ScienceDirect

Cependant, des données plus récentes laissent supposer le contraire. Les données sismiques recueillies au fond de l’océan au Japon indiquent que les monts sous-marins rencontrent une énorme résistance lorsqu’ils se déplacent à la surface d’une plaque subductrice et restent parfois bloqués. On peut lire dans l’étude que « le mont sous-marin lui-même est quasiment immobile, car il doit faire fasse à de très forts frottements. »
À mesure que le volcan sous-marin s’enfonce sous la plaque qui le surmonte, les contraintes s’accumulent sur son bord d’attaque. La zone située autour du volcan sous-marin se verrouille tandis que le reste de la plaque subductrice continue sa descente dans le manteau terrestre. « Les contraintes deviennent très fortes et au bout d’un certain temps, elles migrent vers l’intérieur. « Cette accumulation de contraintes ne peut pas continuer indéfiniment, et une libération brutale se produit lorsque le volcan sous-marin se libère brusquement de la plaque qui le surmonte. La plaque dominante donne un à-coup dans la direction opposée, ce qui déclenche un nouveau type de séisme que les auteurs de l’étude ont appelé « séisme de blocage ».
Des séismes de blocage ont peut-être déclenché des tsunamis dans le passé. Les dépôts de sédiments le long de la côte Est du Japon indiquent que d’énormes vagues ont frappé le littoral en 1677, après qu’un séisme ait secoué une zone de chevauchement avec le Daiichi-Kashima Seamount. Selon l’étude, « la rupture du volcan sous-marin en processus de subduction constitue la source la plus probable de ces grands séismes déclencheurs de tsunamis ».

Volcan sous-marin Minami Kasuga-2 dans l’océan Pacifique (Source : Université de Memphis)

Source  : Live Science.

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According to a new study by University of Memphis researchers, published in November 2023 in the Journal of Geophysical Research: Solid Earth, an ancient underwater volcano riding a sinking tectonic plate off the coast of Japan may have unleashed several unexplained major earthquakes by grinding against another tectonic plate above it.

The extinct underwater volcano, known as Daiichi-Kashima seamount, sits on the Pacific tectonic plate about 40 kilometers off Japan’s east coast. There, three tectonic plates intersect, with the Pacific plate to the east and the Philippine plate to the south both slipping beneath the Okhotsk plate to the north. The seamount sits on a section of the plate that began descending into Earth’s mantle between 150,000 and 250,000 years ago. But the seamount is still close enough to the surface to trigger earthquakes, as it currently sits less than 50 km deep. While the majority of the seismic activity around the seamount manifests as small tremors, there have been several earthquakes between magnitudes M 7.0 and 7.8 in 1982 (M 7.0), 2008 (M 7.0) and 2011 (M 7.8) that previous research has failed to explain.

When a tectonic plate subducts beneath another plate, the seamounts peppered across its surface scrape against the bottom of the overriding plate. A 2008 study suggested this friction was too weak to trigger earthquakes, creating only very small tremors.

However, newer data indicate the opposite. Seismic information gathered at the bottom of the ocean in Japan indicates seamounts encounter huge resistance as they ride along on a subducting plate and sometimes become stuck. One can read in the study that « the seamount itself is almost stationary, because it has very strong friction.

As the seamount digs into the overriding plate, stress accumulates on its leading edge. The region around the seamount becomes locked and grinds to a halt, while the rest of the subducting plate continues its creeping descent into Earth’s mantle. « Stress increases at the edge of the seamount and after some time, the stress propagates and migrates inward. » This buildup cannot continue infinitely, and the stress is eventually released when the seamount suddenly frees itself from the overriding plate and jerks forward. The overriding plate jolts in the opposite direction, triggering a new kind of earthquake that the authors of the study called a « hang-up » earthquake.

Hang-up earthquakes may have unleashed tsunamis in the past. Sediment deposits along Japan’s east coast indicate huge waves battered the coastline in 1677, after an earthquake shook an area overlapping with the Daiichi-Kashima seamount. According to the study, « the rupture of the subducted seamount thus provides the most plausible source for these great tsunami earthquakes. »

Source : Live Science.

Volcans des Iles Aléoutiennes (Alaska) // Aleutian volcanoes (Alaska)

Loin de tout, difficiles l’accès, les Iles Aléoutiennes s’étirent sur quelque 2000 kilomètres au large du sud-ouest de l’Etat d’Alaska dont elles font administrativement partie. L’archipel est composé de 300 îles volcaniques entre la Péninsule d’Alaska à l’est et le Kamtchatka à l’ouest. Les Aléoutiennes se prolongent vers l’ouest par les îles Komandorski ou îles du Commandeur administrées par la Russie.

 

Source: AVO

Quand on regarde une carte, on se rend vite compte que les Iles Aléoutiennes s’étirent selon un axe semi-circulaire, résultat de la subduction de la plaque pacifique sous la plaque nord-américaine.

La zone de subduction a donné naissance à une série d’îles au large (les Aléoutiennes) ainsi qu’une ligne de volcans en bordure du continent (la Chaîne des Aléoutiennes sur la Péninsule d’Alaska) . Cette zone marque l’interface où la plaque océanique Pacifique, plus dense, plonge sous la plaque continentale nord-américaine. Au fur et à mesure que la plaque Pacifique descend, la chaleur de l’intérieur de la Terre la fait fondre et le magma liquide remonte à la surface en formant une ligne de volcans.

Source: Wikipedia

Le long de la partie nord et centrale de l’arc, la vitesse de subduction est de 6 à 8 centimètres par an, là où les deux plaques ont un mouvement relatif opposé. Mais dans la partie extrême sud de l’arc, les deux plaques glissent l’une contre l’autre et l’activité volcanique est réduite. À l’est de l’arc actuel, et séparées de celui-ci par plusieurs centaines de kilomètres, se trouvent les montagnes Wrangell.
Les volcans de la zone de subduction présentent généralement une forme symétrique avec une pente raide près de la bouche éruptive et plus douce ensuite. Ces stratovolcans produisent une large gamme de produits volcaniques, notamment de nombreuses roches andésitiques, avec des couleurs allant du vert au rouge, en passant par le gris. Elles contiennent souvent des cristaux de feldspath blanc bien visibles.

 

Volcan Cleveland (Source: AVO)

Le magma généré par les volcans de subduction est moins fluide que celui des volcans hawaïens ou islandais, et il ne s’écoule donc pas facilement de la bouche éruptive. C’est ce qui explique le dynamisme explosif des éruptions car le magma éprouve des difficultés à se frayer un chemin vers la surface. Des nuages de cendres spectaculaires montent haut dans le ciel et des coulées pyroclastiques dévalent les pentes du volcan lorsqu’une éruption se produit. Si ces matériaux chauffés à haute température se déposent sur la neige et la glace, ils provoquent leur fonte et génèrent des lahars qui peuvent s’étirer sur des kilomètres.

Coulée pyroclastique sur l’Augustine en 1986 (Crédit photo: AVO)

La plus grande éruption des dernières décennies a été celle du Katmai en 1911. Toutefois, on sait aujourd’hui que les dépôts pyroclastiques qui recouvrent depuis 1912 la célèbre Vallée des Dix mille Fumées au nord-ouest du volcan n’ont pas été formés par l’éruption du mont Katmai mais par celle du Novarupta, la plus puissante du 20ème siècle, qui s’est déroulée en même temps, du 6 juin à octobre 1912. La Vallée des 10 000 Fumées s’est formée lorsqu’une coulée pyroclastique de 35 km3 a rempli une ancienne vallée fluviale. Le dépôt de cendres chaudes de 60 mètres d’épaisseur a chauffé le ruisseau et l’eau souterraine sous la coulée pyroclastique, transformant l’eau en vapeur et produisant les « fumées » qui ont disparu de nos jours.

 

Photo: C. Grandpey

Les volcans aléoutiens entrent en éruption de manière sporadique et leur étude est trop récente pour prédire un taux de récurrence. Les volcans Pavlov, Akutan et Shishaldin sont les plus actifs de l’arc. L’Augustine est le plus actif de Cook Inlet, avec des éruptions environ tous les 11 ans.

 

Photo: C. Grandpey

La plupart des volcans des Aléoutiennes sont situés dans des zones reculées, et leurs éruptions affectent donc peu les populations. Les plus grands dangers sont générés par les nuages de cendres car les îles se trouvent sur la trajectoire des lignes aériennes entre l’Amérique et l’Asie. On se souvient du drame évité de justesse quand un Boeing de la KLM a traversé un nuage de cendres émis par le Mont Spurr en 1989.

Aujourd’hui, la surveillance des volcans des Aléoutiennes est effectuée par l’Alaska Volcano Observatory (AVO). Dans une note publiée le 22 octobre 2015, j’ai expliqué les difficultés rencontrées par l’AVO pour surveiller ces volcans situés loin de tout. Il existe certes des stations sismiques au sol, mais ce sont souvent les images  satellites – si la couverture nuageuse le permet – qui fournissent les données de surveillance le plus précieuses.

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Lost in the ocean, difficult to access, the archipelago of the Aleutian Islands stretches over some 2000 kilometers off the south-west of the State of Alaska of which they are administratively part. The archipelago is made up of 300 volcanic islands stretching between the Alaska Peninsula to the east and Kamchatka to the west. The Aleutian Islands extend westward through the Komandorski Islands or Commander Islands administered by Russia.

When you look at a map, you quickly realize that the Aleutian Islands are aligned along a semi-circular axis, the result of the subduction of the Pacific plate under the North American plate.
The subduction zone gave rise to a series of offshore islands (the Aleutians) as well as a line of volcanoes bordering the continent (the Aleutian Range on the Alaskan Peninsula). This zone marks the interface where the denser Pacific oceanic plate dips beneath the North American continental plate. As the Pacific plate descends, heat from the Earth’s interior melts it, and liquid magma rises to the surface forming a line of volcanoes.

Along the northern and central part of the arc, the rate of subduction is 6 to 8 centimeters per year, where the two plates have opposing relative motion. But in the extreme southern part of the arc, the two plates slide against each other and volcanic activity is reduced. To the east of the current arc, and separated from it by several hundred miles, are the Wrangell Mountains.
Subduction zone volcanoes generally exhibit a symmetrical shape with a steep slope near the eruptive vent and a gentler slope thereafter. These stratovolcanoes produce a wide range of volcanic products, including many andesitic rocks, with colors ranging from green to red to gray. They often contain conspicuous white feldspar crystals.

The magma generated by subduction volcanoes is less fluid than that of Hawaiian or Icelandic volcanoes, and so it does not flow easily from the eruptive vent. This explains the explosive dynamism of the eruptions because the magma finds it difficult to make its way to the surface. Huge ash clouds rise high in the sky and pyroclastic flows travel down the slopes of the volcano when an eruption occurs. If these materials heated to high temperatures are deposited on snow and ice, they cause them to melt and generate lahars that can stretch for kilometers.

The biggest eruption in recent decades was that of Katmai in 1911. However, we now know that the pyroclastic deposits that have covered the famous Valley of Ten Thousand Smokes to the northwest of the volcano since 1912 were not formed by the eruption of Mount Katmai but by that of Novarupta. It was the most powerful event of the 20th century ; it took place at the same time, from June 6th to October 1912. The Valley of 10,000 Smoke formed when a pyroclastic flow of 35 km3 filled an old river valley. The 60-meter-thick hot ash deposit heated the creek and groundwater beneath the pyroclastic flow, turning the water into steam and producing the « smokes » that have disappeared today.

Aleutian volcanoes erupt sporadically and their study is too recent to predict a rate of recurrence. The Pavlov, Akutan and Shishaldin volcanoes are the most active in the arc. Augustine is the most active in Cook Inlet, with eruptions approximately every 11 years

Most volcanoes in the Aleutians are located in remote areas, so their eruptions have little impact on people. The greatest dangers are generated by the ash clouds because the islands are in the path of the airlines between America and Asia. We should remember the tragedy narrowly avoided when a KLM Boeing crossed an ash cloud emitted by Mount Spurr in 1989.
Today, the monitoring of Aleutian volcanoes is carried out by the Alaska Volcano Observatory (AVO). In a note published on October 22nd, 2015, I explained the difficulties encountered by AVO in monitoring these volcanoes located far from everything. There are seismic stations on the ground, but it is often the images provided by satellites – cloud cover permitting – that provide the most valuable monitoring data.

Séismes lents en Nouvelle Zélande // Slow-motion earthquakes in New Zealand

J’ai appris à me méfier de Wikipedia qui diffuse parfois des informations inexactes, mais la définition d’un séisme lent qui est proposée me semble intéressante. Selon l’encyclopédie collective, « un séisme lent (SSE, pour slow slip event) est un déplacement discontinu semblable à celui d’un séisme classique, mais qui libère l’énergie élastique en plusieurs heures ou plusieurs jours au lieu de quelques minutes pour un séisme ordinaire. Les séismes lents ont d’abord été détectés par la mesure des déplacements et déformations. »

On peut lire aussi : « Les séismes lents correspondent à des phases transitoires de glissement lent et asismique le long des failles de subduction, à des profondeurs généralement plus importantes que les grands séismes. Les séismes lents peuvent atteindre une magnitude supérieure à M 7 et se déclenchent assez régulièrement. Grâce au déploiement de réseaux denses d’observation par GPS, des séismes lents ont pu être observés le long de nombreuses zones de subduction, notamment en Nouvelle-Zélande, au Japon, aux Cascades, au Mexique et en Équateur. »

En lisant la presse néo-zélandaise, on apprend que les stations GNSS de GeoNet le long de la côte sud de la région de Hawkes Bay et au nord de Gisborne se sont déplacées vers l’est de 1 à 2 cm depuis le début de 2023. Cela montre qu’un séisme lent est en cours au niveau de la zone de subduction de Hikurangi au large de la côte est de l’île du Nord. La quantité de mouvement de glissement lent au cours des 30 derniers jours a libéré une énergie équivalente à un tremblement de terre de M 7,0. Les scientifiques estiment que le déplacement sur la zone de subduction pendant l’événement a atteint 7 ou 8 cm au cours des deux dernières semaines.
Un autre épisode de séisme lent au large de Hawkes Bay a déjà été observé en 2022. En plus de l’événement de séisme lent, deux petits essaims sismiques ont été enregistrés dans la région, avec des magnitudes allant de M 1,0 à M 3,5. Ils sont probablement liés au séisme lent et sont vraisemblablement causés par des variations de contraintes dans la croûte terrestre.
Un autre séisme lent sous la région de Manawatu a commencé au début de 2022. Il n’a surpris personne car ces événements se produisent environ tous les cinq ans.
Les scientifiques de GeoNet ont récemment déployé de vastes réseaux temporaires de capteurs pour détecter ces séismes lents et toute activité sismique associée. Un géophysicien de GNS Science explique que les séismes lents sont un excellent rappel que la Nouvelle-Zélande se trouve à la frontière de plaques tectoniques très actives.
Source : New Zealand Herald, GeoNet.

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I have always been wary of Wikipedia, which sometimes disseminates inaccurate information, but the definition of a slow-motion earthquake, or slow slip event (SSE), that is suggested seems interesting to me. According to the collective encyclopedia, « a slow slip event is a discontinuous movement similar to that of a conventional earthquake, but which releases the elastic energy in several hours or several days instead of a few minutes for an ordinary earthquake. Slow earthquakes were first detected by measuring displacements and deformations. »
We can also read: « Slow earthquakes correspond to transient phases of slow and aseismic sliding along subduction faults, at depths generally greater than large earthquakes. Slow earthquakes can reach a magnitude greater than M 7.0 and occur quite regularly. Thanks to the deployment of dense GPS observation networks, slow earthquakes have been observed along many subduction zones, including New Zealand, Japan, the Cascades, Mexico and Ecuador. »

Reading the New Zealand newspapers, we learn that GeoNet’s GNSS stations along the southern coast of the Hawkes Bay area and north of Gisborne have shifted eastward by 1 – 2 cm since the start of 2023, This indicates that a slow-motion earthquake is underway on the Hikurangi subduction plate boundary offshore the North Island’s east coast. The amount of slow slip movement during the last 30 days has released energy equivalent to an M 7.0 earthquake. Scientists estimate that the amount of movement on the subduction zone during the current event now amounts to 7 or 8 cm over the last couple of weeks.

Another large slow slip event offshore Hawkes Bay had already been observed in 2022. In addition to the slow slip event, two small seismic swarms have been recorded in the region, with magnitudes ranging from M 1.0 to M 3.5. These earthquakes are likely related to the slow slip event,and are probbly caused by changes in stress in the Earth’s crust.

Another slow-motion earthquake beneath the Manawatu region started up at the beginning of 2022. It was expectedas these events occur approximately every five years.

GeoNet scientists have recently deployed large, temporary networks of sensors to detect these slow slip events, and any related seismic activity. A GNS Science geophysicist explaines that slow-slip events are a great reminder that New Zealand is located on a very active tectonic plate boundary.

Source : New Zealand Herald, GeoNet.

 

Schéma montrant le mouvement sur la zone de subduction Hikurangi (code couleur en centimètres) au cours des séismes lents depuis la mi-décembre 2022. Les flèches blanches montrent le déplacement horizontal des stations GNSS au cours de la même période. (Source : GeoNet)

Aucun lien entre la Montagne Pelée (Martinique) et La Soufrière (Saint Vincent)

Quand on regarde une carte, on s’aperçoit que les Petites Antilles, avec la Martinique, la Guadeloupe, St-Vincen-et-les-Grenadines, forment un arc. Il est façonné par la tectonique des plaques dans la région. La plaque Américaine se rapproche de la plaque Caraïbe à raison d’environ 2 cm/an. A l’aplomb de l’arc volcanique des Petites Antilles, la plaque nord-américaine, dans un processus de subduction, s’enfonce sous la plaque Caraïbe. Cette enfoncement de la plaque lithosphérique dans les profondeurs génère des séismes et participe à l’activité volcanique. Dans les zones de subduction, la répartition des séismes en profondeur permet d’imager la géométrie de la plaque plongeante qui suit le plan de Wadati-Benioff, souvent raccourci en plan de Benioff. Sous l’arc des Antilles, ce plan présente un pendage d’environ 60°.
A côté d’autres zones de subduction, comme au Japon ou au Chili, les Petites Antilles ont une activité sismique relativement réduite. Les derniers séismes importants datent de 1839 pour la Martinique et 1843 pour la Guadeloupe. Les sismologues pensent que cela s’explique par le fait que la subduction est lente dans cette région.

En revanche, l’activité volcanique est plus soutenue. On dénombre une vingtaine de volcans actifs dans les Petites Antilles dont 9 dans la seule île de Dominique. Soufrière Hills à Montserrat a connu une éruption dévastatrice en 1997. Le volcan sous marin Kick’Em Jenny à Grenade est sûrement le plus actif de la région avec près de onze éruption durant les 50 dernières années. La Soufrière de Guadeloupe est le volcan qui a connu le plus de manifestations éruptives depuis le 17ème siècle. Je ne reviendrai pas sur l’éruption phréatique de 1976 et la polémique qui l’a accompagnée.

L’éruption la plus meurtrière a été celle de la Montagne Pelée à la Martinique. Elle a causé le mort de 29 000 personnes. Au cours de cette même année, la Soufrière de St Vincent a tué 1565 personnes.

Le 4 décembre 2020, suite à une intensification de l’activité sismique et des remontées de gaz au cours des mois précédents, l’Observatoire Volcanologique et Sismologique de la Martinique (OVSM) a demandé à la Préfecture le placement de la Montagne Pelée en vigilance Jaune (niveau 3 sur une échelle de 5). Malgré tout, L’OVSM a précisé qu’une éruption n’est pas à l’ordre du jour dans le court terme.

Le 29 décembre 2020, c’était autour de la Soufrière de St Vincent de passer en vigilance Orange suite à l’apparition d’un dôme de lave à l’intérieur du cratère

Suite à ces des deux hausses des niveaux d’alerte, de nombreuses personnes se sont demandé s’il n’existait pas en lien entre le regain d’activité de ces deux volcans des Petites Antilles.

Jean-Christophe Komorowski, directeur scientifique des observatoires volcanologiques et sismologiques de l’Institut physique du globe de Paris est très clair à ce sujet. Il explique sur le site web Orange qu’il n’existe aucune relation entre l’activité de la Montagne Pelée et celle de la Soufrière : « Il n’y a aucun lien entre les différents volcans de l’arc des Petites Antilles. Il n’y a pas de connexion entre les réservoirs de stockage du magma de La Soufrière et celui de la Montagne Pelée. On ne peut pas craindre le déclenchement d’une éruption à la Montagne Pelée suite à l’activité en cours à Saint-Vincent, ou inversement. »

L’arc des Petite Antilles (Source : Google Maps)

L’archipel des Petites Antilles dans le contexte de la tectonique des plaques (Source : Centre de Données Sismologique des Antilles)

Modèle de la structure profonde de la zone de subduction au niveau des Petites Antilles, à partir des données sismiques (Source : IFREMER)