1) La tectonique des plaques mesurée par le GPS
a) Principe
L'hypothèse de Wegener sur la dérive des continents est de nos jours confirmée et justifiée par un bon nombre d'observations géophysiques témoignant de l'expansion des fonds océaniques et donc du mouvement des plaques tectoniques. Des estimations, plus ou moins approximatives, de la vitesse de cette dérive des continents ont pu être produites à partir de ces observations géophysiques. Les premiers modèles de déplacement des plaques ont été construits à partir de la direction des failles transformantes (elles donnent la direction du mouvement), et des anomalies magnétiques (elles donnent la vitesse de mouvement sur 3 millions d'années au minimum). Mais à présent, des systèmes de positionnement par satellites permettent de mesurer le déplacement des plaques en temps réel au centimètre près , le GPS est l'outil qui apparaît comme le mieux adapté à la mesure de la déformation dans une zone donnée. Grâce à sa précision, à son relativement faible coût, à sa facilité de mise en oeuvre, à la possibilité qu'il offre de mesurer des points sans visibilité, il est possible de faire rapidement et à moindre coût un grand nombre de mesures sur une zone donnée.
Le principe est très simple. Un point est matérialisé par un repère géodésique (géodésie= science qui a pour but de déterminer la forme et les dimensions de la Terre).
La mesure GPS de la position de l'antenne fournit la position du repère. Il suffit de mesurer à nouveau la position de ce repère quelques temps après pour détecter un déplacement et en déduire une vitesse. La déformation dans une zone considérée est donnée par la mesure des déplacements d'un certain nombre de points répartis sur la zone considérée. Cet ensemble de points constitue ce qu'on appelle un réseau géodésique.
Par exemple, lors d'un séisme, les déplacements en surface peuvent atteindre plusieurs mètres pour des événements de magnitude supérieure à 6. Des mesures GPS avant et après le séisme permettent de déterminer les déplacements du sol liés au séisme et, en association avec les mesures sismologiques, de connaître le déclenchement et la propagation de la rupture qui a donné lieu au séisme.
b) L'exemple du Japon
Le processus qui entre en jeu au niveau de l'archipel du Japon est le phénomène de subduction. La plaque pacifique plonge sous le Japon à une vitesse de l'ordre de 8 cm/an au niveau du fossé du Japon. Une autre plaque tectonique intervient, c'est la plaque des Philippines qui passe sous le Japon à une vitesse de l'ordre de 4 cm/an au niveau du fossé de Nankai. Depuis 1994, le système GPS est employé de façon continue au Japon et permet donc des mesures de déformations permanentes. Ainsi, des déplacements co-sismiques, c'est-à-dire accompagnant un séisme, ont été précisément déterminés par GPS pour les derniers tremblements de terre survenus au Japon. Nous allons décrire trois exemples. En octobre 1994, s'est produit un séisme de magnitude 8.1, à 200 km de la pointe ouest de l'Hokkaido (partie la plus au nord du Japon). La station GPS la plus proche située à 170 km du séisme s'est déplacée de 44 cm vers l'est et s'est affaissé de 10 cm. Le 28 décembre 1994 s'est produit un autre séisme, cette fois-ci de magnitude 7.5. Un grand after-shock s'est produit à la suite, le 8 janvier 1995, il avait une magnitude 6.9. Tout cela pour dire que ces observations n'ont été possible que grâce au réseau GPS permanent japonais, fonctionnant de manière continue, c'est le réseau le plus ambitieux qui existe. Il est actuellement constitué de 1065 récepteurs GPS permanents dirigé par le Geographical Survey Institute (GSI).
2) La surveillance d'une faille active
L'exemple de la Californie :
Ce sont les Américains qui sont à l'origine de l'application du GPS à la géophysique. En effet, la situation dans laquelle se trouve la Californie les a obligés à se préoccuper davantage des risques sismiques de cette zone : le coulissement de deux plaques tectoniques le long de la faille de San Andreas provoque régulièrement des séismes dévastateurs comme ceux de San Francisco, et de Los Angeles.
Sans le GPS on pouvait, d'après une analyse, mesurer la déformation du sol, la profondeur de la fracture, la longueur des segments actifs, les zones sismiques les plus importantes, etc.
Quant à lui le GPS informe, en plus de ça, sur le déplacement total du sol occasionné par le séisme qui vient de se produire. Cette information est très utile pour la compréhension des mécanismes fondamentaux de la rupture sismique.
L'utilisation du GPS ne s'arrête pas là : il peut aussi être utilisé pendant un séisme : on positionne plusieurs points GPS, puis on calcule leur position à chaque mesure. On peut ainsi voir le point se déplacer littéralement pendant la dizaine de seconde que dure le séisme. De plus, on peut voir la rupture se prolonger le long de la faille si les points sont bien positionnés.
Toutes ces informations permettent d'analyser la propagation des ondes sismiques et les mouvements de surface qui en résultent. Cependant l'étude de failles cachées (en profondeur) est très délicate : les failles ne sont pas décelables sur le terrain car la rupture déclenchée par les séismes n'atteint pas toujours la surface.
3) La déformation des volcans
De la même façon que pour la surveillance des failles actives, il est possible de surveiller la déformation du cône d'un volcan en activité. avec quelques points GPS judicieusement placés et mesurés en continu, on peut suivre jour après jour les déformations dues à la monté de lave. Ces mesures sont utiles aux volcanologues pour quantifier les phénomènes associés à une éruption. On peut aussi penser que l'on pourra prédire le moment d'éruption du volcan, une fois ces phénomènes bien connus.
Actuellement, de telles mesures sont en cours sur différents volcans tels que l'Etna, le Piton de la fournaise en Martinique, la Soufrière en Guadeloupe, ou la Mer api en Indonésie.
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