Répartition des séismes

Trois types de limite de plaqueRides ou rift Zones de subduction

Faillestransformantes

Séismes = ruptures = formation de faillesFaille = plan de faiblesse dans la lithosphère

en fonction de la profondeur à laquelle ils se produisent:

- les séismes normaux ou superficiels (profondeur<60 km) = frontières de plaques divergentes et frontières de plaque convergentes (fosses océaniques)

- les séismes intermédiaires (60<profondeur<300 km) = frontières de plaques convergentes

- les séismes profonds (jusqu’à 700 km de profondeur) = frontières de plaques convergentes

Trois classes de séismes

Ride ou rift = zone de divergenceSEISMES SUPERFICIELS

Les séismes intraplaques sont superficiels.

Les frontières convergentes concentrent les trois catégories de séismes

5%

15%

75%

Zones divergentes

Zones convergentes

Zones de décrochement

Dissipation de l’énergie sismique de la planète

• Un matériau rigide soumis à des contraintes de cisaillement, se déforme de manière élastique puis de manière plastique

• Au point de rupture, il se rompt

DEFORMATION

Élastique : le matériau reprend sa forme et son volume lorsque la contrainte est relachée

Plastique : le matériau reste déformé lorsque la contrainte est relachée

Point de rupture: libération de l’énergie accumulée lors de la déformation plastique

Séisme = rupture Accumulation + Relâchement des contraintes

Foyer ou hypocentre

L'endroit où démarre la rupture est appelé foyer du séisme ou hypocentre (0 à 700 km profondeur)

Epicentre

L'épicentre microsismique est le point de la surface du sol le plus proche du foyer (latitude, longitude)L'épicentre macrosismique = lieu de plus forte intensité ressentie -Peut être différent de l'épicentre réel

Structure sismiqueRais sismiques

Les différents types d’ondes

Déclenchement d’un séisme = Propagation d’un front d'ondes sismiques

Deux types d'ondes : Ondes de fond qui se propagent à l'intérieur de la terre (ondes S et ondes P)

Ondes de surface qui se propagent seulement en surface (ondes de Love et ondes de Rayleigh)

Ondes P = ondes premières/ondes de Compression. Dans tous les états de la matièreLes particules se déplacent selon un mouvement avant-arrière dans la direction de la propagation de l'onde

Ondes S = ondes de cisaillement seulement dans les solides. Les particules oscillent dans un plan vertical, à angle droit par rapport à la direction de propagation de l'onde

Ondes L (ondes de Love) = ondes de cisaillement qui oscillent dans un plan horizontal Impriment au sol un mouvement de vibration latéral

Les ondes de Rayleigh = vague les particules du sol se déplacent selon uneellipse = vague qui affecte le sol lors des grands tremblements de terre

Propriété qui permet de localiser un séisme = Propagation des ondes P plus rapide que celle des ondes S

Ondes sismiques enregistrées en plusieurs endroits du globe

Enregistrement par sismomètres

Les vibrations verticales et horizontalesdu sol sont transmises à une aiguille qui les inscrit sur un cylindre qui tourne à une vitesse constante

En un lieu donné, ondes P puis décalage et enregistrement des ondes S

Exemple: retard de 6 minutes des ondes S par rapport aux ondes P

Les vitesses de propagation des deux types d'ondes (S et P) dans la croûte terrestre établies = courbes étalonnées

Pour une distance entre séisme et point d’enregistrement de 2000 Km, l'onde P mettra 4,5 min et l'onde S mettra 7,5 min = décalage de 3 min

Dans l’exemple, distance correspondant à un décalage de 6 min = 5000 Km

La méthode des cercles

Pour une station: temps d'arrivée de l'onde P: tp = t0 + (d/Vp)

temps d'arrivée de l'onde S: ts = t0 + (d/Vs)

Différence entre les deux relations précédentes :ts - tp = d . ( 1/Vs - 1/Vp)

On connaît les vitesses des ondes P et S dans la croûte et on admet que : (1/Vs - 1/Vp) = 1/8

D’où : d = 8 * (ts - tp)

On établit des abaques et on obtient directement d en fonction de (ts - tp)

basée sur la différence de propagation des ondes P et S

Le séisme se trouve sur le périmètre d’un cercle de rayon d1 centré sur une première station d’enregistrement

d1

Avec une seconde station, on détermine la distance (d2) séparant cette station de l’épicentre du séismeLes deux points d’intersection des deux cercles définissent les deux localisations possibles de l’épicentre du séisme enregistré

Avec une troisième station, détermination de la distance (d3) séparant cette station de l’épicentre du séisme

Un seul point d ’intersection possible entre les trois cercles définit la position précise de l ’épicentre du séisme enregistré

La triangulation

d1

d2

d3

d2

d1

Effet des ondes sur les constructions

Ondes L et R - gamme des "basses fréquences » (< à 1 hertz) - nocives pour les bâtiments élevés -destructrices à des distances plus grandes que les -ondes P et S (quelques dizaines de kilomètres)

Ondes P et S - gamme des "hautes fréquences » (> à 1 hertz) -dangereuses pour diverses catégories de bâtiments bas

deux types de mouvements (et leurs combinaisons)

- à la verticale du foyer, à l’ épicentre = mouvement vertical - plus loin effet dominant = horizontal, lié au mouvement de la faille

La magnitude est mesurée par le logarithme de l’amplitude maximaledes ondes, mesurée en microns, à partir d’un sismomètre placé à une distance d’environ 100 km par rapport à l’épicentre

M = log A/T + F()

A amplitude en micronsT période en secondesF() terme empirique = amortissement du signal sismique en fonction de la distance et de la profondeur

La magnitude

Energie développée au foyer du séisme

Echelle de Richter instaurée en 1935

Calculée à partir de la quantité d'énergie dégagée au foyer

Fournit la magnitude (M) d'un séisme: log (E) = 11,4 + 1,5M

Un séisme de magnitude 8,5 est 100 millions de fois plus fort qu’un séisme de magnitude 3

Valeur objective = une seule valeur pour un séisme donné

A ce jour, plus fort séisme = 9,5 sur l'échelle de Richter (Chili).

Depuis janvier 2000, nouvelle échelle adoptée par les pays européens : EMS 98 (European Macroseismic Scale 1998)

Plusieurs échelles pour évaluer l’intensité des tremblements de terre

1) Echelle de Mercalli développée en 1902 et modifiée en 19562) Echelle MSK (Medvedev, Sponheuer et Karnik, 1964)

Ces deux échelles comportent douze degrés notés généralement en chiffres romains de I à XII

Intensité déterminée par: -Ampleur des dégâts causés par un séisme -perception de la population varient en fonction de la distance à l'épicentre. Echelle subjective Echelle variable géographiquement

L’intensité

Perception à l’intérieurEnregistrement par les sismomètres

Perception à l’extérieur

Quelques dommages

Dommages légers aux « bonnes constructions » destruction des « mauvaises »

Dommages considérablesModification des paysages

Les séismes entre 1990 et 2001

Un risque majeur

Conséquences secondaires:

• Glissements de terrains, éboulements

• Incendies

• Tsunamis

1436 Naples-Brindisi Italie 30 000 morts

1531 Lisbonne Portugal 30 000 morts

1693 Catane Italie 60 000 morts

1737 Calcutta Inde ~50 000 morts

1797 Quito Equateur 40 000 morts

1906 San Francisco Etats-Unis 700 morts

1908 Messine Italie 65 000 morts

1920 Ganzu (ou Kan-sou)

Chine 180 000 morts

1923 Tokyo Japon 143 000 morts

1976 Tangshan Chine 800 000 morts

1980 El-Asnam Algérie 3 500 morts

1985 Mexico Mexique 20 000 morts

1995 Kobe Japon 5 000 morts

1999 Izmit Turquie 20 000 morts

aléas et enjeux sismiques

• Enjeux : hommes, centres de vie, environnement

• Destruction des biens (habitations, infrastructures…)

• Pertes humaines (morts, blessés…)

• Impacts environnementaux (glissement de terrain, pollution…)

• Aléa : probabilité du séisme

Risque

Prévision du risque sismique

La prédiction

= prévoir précisément lieu / date / magnitude du séisme

2 approches:

Approche probabiliste:

identification zones à risque + probabilité d’occurrence

Approche déterministe: identification de signes précurseurs

interprétation par des processus physiques réalistes

élaboration d’un modèle physique prédictif

A long terme: plusieurs dizaines d’années = définition de l’aléa, du mode de construction adapté et renforcement du bâti

A moyen terme: quelques mois, 1 an = surveillance et instrumentation des sites à risque

A court terme : quelques heures à quelques jours = mise en alerte des réseaux d’intervention, préparation des secours et évacuation des bâtiments

3 modes de prévision et de réponse adaptée

Beaucoup de difficultés pour la prédiction:• Méconnaissances des facteurs déclenchants• Paramètres très nombreux à entrer en jeu• Paramètres physiques des roches difficiles à mesurer en profondeur

A court et moyen terme

A long terme

Evaluation du risque sismique pour une zone donnée= donner la magnitude maximale pouvant être atteinte+ un pourcentage de chance pour que cette valeur soit atteinte sur une période de

référence.

Evaluation du risque

1.Définition de l’aléa sismique dans une région donnée:

• Installation d’un réseau de surveillance (Bornes GPS, sismomètres, géodésie spatiale…)

• Identification des failles actives•Etude de l’histoire sismologique de la région

2. Connaissances de tous les éléments susceptibles d’entraîner des dégâts

•Nature des sous-sols•Topographie•Nature et emplacements des bâtiments…

Cartographie du risque sismique

Différentes sciences étudient les séismes

Etude des « effets de site » :

Nature du sous sol (amplifications des ondes)

Instabilité des versants (réaction en chaîne)

Types de bâtiments

Topographie

Etude et surveillance des phénomènes précurseurs

Déformation crustale (faille asismique)

Variation des paramètres hydrologiques

Variation des vitesses de propagation des ondes

Phénomènes géochimiques ex: augmentation radon dans les eaux souterraines (dégazage lors de la friction des roches)

Variation de la résistivité électrique des roches (plusieurs %) et du potentiel électrique

Variation des émissions électromagnétiques

Variation du champ magnétique

• Enregistrement des secousses par des sismomètres

• Mesure de la déformation sismique d’un lieu : géodésie spatiale

mesure des déplacements verticaux (nivellement) de la surface

et des déplacement horizontaux (triangulation)

Ex: surveillance de la faille de San Andreas (Californie)

• Mesure des déformations de la Terre : Méthode des satellites GPS

Mesure du « retard au glissement » des plaques

Récapitulatif des méthodes de mesure

Deux réseaux connectés: Le laboratoire de Détection Géophysiquedu CEA et le Réseau National de surveillance sismique à StrasbourgInfos au Bureau Central Sismologique Français

Réseaux français d’observation et de surveillance

Le réseau GEOSCOPE

Centralisation et diffusion des données (avant d'être archivées au centre GEOSCOPE,

les données sont envoyées à l'PGP, à l'EOST et aux centres de l'IRD dans le monde)

25 stations dispersées dans le monde

Exemple de site surveillé par la France en coopération avec:Instituts de physique du globe (I.P.G.) de Paris et de Strasbourg,soutenus par l’Institut National des Sciences de l’Univers (INSU/CNRS)le ministère des Affaires étrangères et l’Institut de Recherche et Développement (IRD)

Nord du Chili

subduction de la plaque Nazca sous la cordillère andine (plaque Amérique du

Sud) = pas de grand séisme depuis celui de 1887 (magnitude 8,5) rapprochement de

10 mètres environ sur une longueur de 300 km

Mesure du « retard au glissement » = 10m depuis 110 ans stocké dans la déformation

élastique des roches (séisme magnitude >5 prédit dans la décennie)

Installation de réseaux sismologiques de surveillance aux deux extrémités de cette

“lacune sismique” et d’une station multiparamètre (gravimètre, station sismologique

de large bande spectrale, inclinomètres et antenne G.P.S. de positionnement par

satellite)

• constructions aux normes parasismiques

• développement de la recherche en matière de construction parasismique

• information et préparation de la population exposée au risque

• organisation des moyens de secours et de l’information d’urgence en cas

de séisme

L’évaluation complète du risque sismique est primordiale pour la mise en place d’une politique

de prévention efficace et adaptée.

Prévention du risque dans le monde

1. Normes de construction parasismique

– Symétrie des bâtiments

– Abaissement du centre de gravité

– Eloignement minimum des bâtiments mitoyens

pour éviter l’entrechoquement

– Renforcement des angles

– Limitation du percement d’éléments porteurs

•USA: Uniform Building Code (UBC)•Europe: Eurocode 8, partie 1998-1-1 et 1998-2

2. Partenariats concernant– Le développement d’outils de prévision– La conduite d’études comparatives– L’échange d’informations

• Projet RADIUS: Secrétariat de la Décennie internationale de prévention des catastrophes (IDNDR) •Partenariat Japon-Roumanie

Génie parasismique = réalisation d’ouvrages et d’installations capablesde résister dans de bonnes conditions à des secousses importantes

En France •1ères lois parasismiques en 1969, modifiées en 1982 et 1992

Lois parmi les plus complètes au monde

•PPR: Plan de Prévention des Risques (loi du 2 février 1995)

Cartographie des risques naturels en France définition des règles d’urbanisme, de construction et de sauvegarde des bâtis existants et futurs. définition des mesures de protection et de sauvegarde des populations

Gestion du risque sismique

Etude macrosismique

Enquête directe sur le terrain envoi de questionnaires aux autorités (maires, instituteurs) de la région intéressée

Carte des courbes isoséistes = zones de même intensité L’épicentre macrosismique dans l’aire pléistoséiste = isoséiste de degré le plus élevé

Forme des isoséistes renseigne sur l’influence des terrains sur la propagation du mouvement sismique - Rôle important de la nature du sous-sol = intensité plus grande sur les terrains meubles et alluvionnaires

Isoséistes resserrées et allongées, = existence d’un accident tectonique (faille), siège du séisme

Forme et écartement des isoséistes = fonction de la profondeur du foyer du séisme.

Cartes d’isoséistes

Cartographie des zones à risques

Mise en sécurité de deux catégories d’installations

• Ouvrages à risque « normal » conséquences = dommages immédiats subis par l’ouvrage, ses occupants et son contenu = constructions civiles ou industrielles et autres ouvrages de génie civil

2) Installations « à haut risque » désordres, même mineurs = suites extrêmement graves pour la population et l’environnement: -industries chimiques traitant ou stockant des produits hautement toxiques susceptibles de se répandre-installations de sécurité nucléaire-grands barrages 

Arbitrage entre exigences de sécurité et coût des mesures de protection

QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)

sont requis pour visionner cette image.

• Développement d’outils pratiques (manuels, logiciels) pour la prévision

• Promotion de l’échange d’informations entre les pays

• Préparation aux conséquences d’un séisme

- simulation de catastrophe

- exercice d’évacuation

- diffusion des consignes de sécurité etc…

(surtout en pratique au Japon, en Califormie mais aussi dans le sud de la France)

Exemple d’affichage utilisé dans l’Aude

Séismes en France en 2002