Histoire des catastrophes naturelles Michel Granet – Physicien du

Les catastrophes naturelles
Le face-à-face Terre - Homme
La dialectique Homme - Nature
1
Les catastrophes naturelles : une
histoire de la Terre !
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14 By : Big-bang, univers dense et
chaud
4,6 By : « naissance » du Soleil par
effondrement d’une nébuleuse de gaz
4,6 By : « naissance » du
Système solaire, les planètes se
forment en moins de 100 My
3,8 – 2,5 By : Archéen
¾ Cyanobactérie : micro algues fixant
l’azote (une espèce à l’origine de l’expansion de la vie via la
production d’oxygène par photosynthèse)
2,5 By – 530 My : Protérozoïque (eucaryotes : 1,9 By, fossiles à coquilles)
530 My – actuel : Phanérozoïque (explosion de la vie)
Ère primaire : 1ers restes de plantes et d’animaux terrestres
Ère secondaire : émergence des mammifères
Ères tertiaire et quaternaire : premiers Hominidés (date ?)
2
Plan du cours
• Qu’est-ce qu’une catastrophe naturelle ?
Échelle des temps : géologique, historique, moderne
• Cause et origine d’une catastrophe naturelle ? Comment la
détecter ? Comment la localiser ?
• Les quatre grands types de catastrophes naturelles :
– Atmosphériques : ouragans, sécheresse, pluies, etc.
– Exogéniques : inondations, glissements de terrain, érosion
– Endogéniques : éruptions volcaniques, séismes
– Extra-terrestres : impacts de météorites
• Le face à face Terre – Homme : l’anthropisation de la planète,
les risques « naturels » induits, le développement durable
3
Catastrophes naturelles : mythes,
« fausses », vraies, « induites »
• Déluge (9000 BP ? 8300 BP ?) : hypothèse
déversement des eaux méditerranéennes dans
la mer Noire à cause de la fonte des calottes
glaciaires ? Catastrophique ? Progressif ?
• Explosion du volcan Santorin (-1650,
Atlantide ?) / 12 cataclysmes en 400 000 ans
- Fin de la civilisation Minoenne
- Relié aux « dix plaies d’Égypte » ?
« ouverture » de la mer des Roseaux
causée par des vents liés à l’explosion ?
• Éclipse de 1654 : panique générale en
Europe, hystérie collective, irrationalité
• Éruption du Vésuve en 79, destruction de
Pompéi et de Herculanum
• Tsunami : Séismes de Lisbonne (1755),
du Chili (1960), de Sumatra (2004)
• Ouragan « Katrina » (29/08/2005)
Question des événements naturels déclenchés
ou accélérés par l’action anthropique de
l’Homme…
• Changement global
• Séismes induits… (barrages, géothermie, …)
4
Catastrophe naturelle ?
•
Qu’est-ce qu’une catastrophe naturelle ?
− Événement indépendant de l’action humaine, qui imprime sa trace dans
l’espace-temps terrestre : la catastrophe « brise » le temps humain
− Événement qui perturbe l’ordre social et culturel établi, fédérateur,
extraordinaire, répétitif Î conséquences sociales et environnementales
− Approche géo-environnementale ou historique : Nature et Culture…
•
Reconnaissance et localisation ? Sources d’informations ?
− Histoire « géologique » : elle marque la morphologie du paysage,
reconnue par l’observation et l’analyse scientifique, datation
− Histoire « récente » : archéologie, mémoire, récit de la catastrophe (écrit,
oral)
•
Perception (et histoire de la perception) de la catastrophe
− Inscrite dans la mémoire collective si elle impacte la vie humaine
− La notion, la culture et la perception du risque résultent de l’occurrence
d’une catastrophe dans un contexte sociétal donné (aléa, vulnérabilité)
− Risque encouru, catastrophe subie
•
Enjeu des catastrophes : politique, idéologique, économique, administratif
5
Des catastrophes marquantes…
aux conséquences sociales et climatiques
• Incendie de Londres : 2 septembre 1666
- peu de victimes
- conséquences: maisons rebâties en briques et tuiles
• Tremblement de terre de « Lisbonne » : 1er novembre 1755
(M 8.5), suivi d’un tsunami et d’un incendie
- Env. 50 000 morts
- Conséquences : organisation d’une cité nouvelle et débat philosophique
sur science, progrès et religion (Voltaire - une physique bien cruelle –
s’oppose à J.-J. Rousseau - la nature est innocente, le « mal » du
séisme incombe aux hommes)
• Explosion volcanique du Krakatoa : 27 août 1883 (entendue
jusqu’à 5000 km)
- Env. 40 000 morts à cause du tsunami
- poussières satellisées à plus de 70 km dans l’atmosphère,
t°C moyenne diminue en 1884
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Des catastrophes
naturelles depuis 1900…
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Éruption de la montage Pelée : 8 mai 1902 (28 000 morts)
Messine
Météorite (ou explosion ?) en Sibérie : 30 juin 1908
Séisme de Messine : 28 décembre 1908 (env. 105 morts ?, perception
animale évoquée… comme pour d’autres « catastrophes », mutation ADN ?)
Inondations Pays-Bas : 1er février 1953 (cela peut arriver…)
Séisme au Chili et tsunami : 22 mai 1960 (M 9.5, vagues de env. 20m)
Avalanche de Val d’Isère : 10 février 1970 (Î 1ère carte des risques naturels
dans les Alpes…)
Séisme de Tangshan (Chine) : 28 juillet 1976, env. 105 victimes, prévision
manquée après celle « réussie » de 1975
Explosion du volcan Mont Saint Helens : 18 mai 1980 (avalanche de débris)
Inondations au Bangladesh : 29 septembre 1988 (30x106 de sans- abris,
phénomène reproductible…)
Séisme à Sumatra et tsunami : 26 décembre 2004 (questions de prévention,
de prédiction, d’information…)
Ouragan Katrina : 29 août 2005
7
Un regard sur…
– L’extinction des espèces – Biodiversité
– Une catastrophe extra-terrestre: impact de météorite
– Les catastrophes atmosphériques : ouragans,
sécheresse, tempêtes, phénomènes « extrêmes »
– Les catastrophes endogéniques : volcans,
tremblements de terre
– Les catastrophes exogéniques : tsunamis, inondations,
effondrements gravitaires
– Le réchauffement climatique, l’environnement, l’impact
anthropique
20ème siècle :
¾ Catastrophes d’origine hydro climatique : 79%
¾ Catastrophes géologiques : 21%
Nîmes, 3 octobre 1988
8
Extinctions de masse
Rôle des impacts d’astéroïdes et du volcanisme ?
ƒ
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•
•
440 My (fin de l’Ordovicien, vie
océanique, hypothèse glaciation /
déglaciation ?)
360 My (fin du Dévonien, non expliquée,
baisse biomasse et anomalie d’Iridium
observées)
250 My (fin du Permien, 95% !,
augmentation CO2 : volcanisme - Traps
Sibérie et Pangée ?)
205 My (fin du Trias, volcanisme, impact
?)
Cratère de Manicouagan au Québec (90
km)
65 My (fin du Crétacé, 75%, impact
météoritique : Chicxulub, volcanisme
point chaud / Traps du Deccan Inde)
Cratère de Manicouagan
¾ Causes physiques (changements climatiques, niveau des mers, organisation
des masses continentales)
¾ Causes biologiques (rupture d’un système écologique à l’équilibre fragile)
9
Catastrophe extra-terrestre :
les impacts de météorites
10
Trois « impacts » célèbres
• Manicouagan, Québec, 214 My, relié à l’extinction
de la fin du Trias 205 My BP (T/J) ?
• Chicxulub, Yucatan, 65 My (C/T)
Observation anomalie géochimique :
concentration élevée d’Iridium à la
limite Crétacé / Tertiaire
Î origine extra-terrestre
Î relié à l’extinction en masse
Cratère de Manson (Iowa), 65 My,
35 km diamètre
Î plusieurs impacts simultanés C/T
• Toungouska, Sibérie centrale,
30/06/1908, estimé à « 1000 » bombes
d’Hiroshima (M 5, entendu 1000 km)
Chicxulub : escarpement 3000m,
diamètre 10 km, cratère 260 km
11
Catastrophe atmosphérique
dépression, tempête, cyclone d’origine tropicale, ouragan
Localisation des ouragans
Conditions de formation des
ouragans :
• température de l'océan doit
être supérieure à 26 °C
• présence d'une dépression
tropicale
• présence de cumulus ou
cumulonimbus
• absence ou peu de variation
de la vitesse du vent avec
l'altitude
• quantité suffisante d’humidité
dans la troposphère
Équateur
Échelle de Saffir-Simpson : ouragans de catégorie 1 à 5
[ fonction (vents, pression) ]
Exemple catégorie 5 : > 249 km/h, < 920 millibars
Î Marées > 5,5 m / normale
La dissipation de l’ouragan commence dès qu’il est coupé de
sa source d’humidité et de chaleur (les eaux de la mer).
12
Fréquence des ouragans
Running 5-year mean of SST during the
respective hurricane seasons for the
principal ocean basins in which
hurricanes occur Î
(35 y)
Sea-surface temperature of :
• North Atlantic Ocean (NATL)
• Western Pacific Ocean (WPAC)
• East Pacific Ocean (EPAC)
• Southwest Pacific Ocean (SPAC)
• North Indian Ocean (NIO)
• South Indian Ocean (SIO)
Regular increase... Caused by ?
13
Tempêtes des 26 et 27 décembre 1999
Ouragan « Lothaire » : conjugaison d’un vent
de haute altitude (jet-stream) tourbillonnant et
s’étendant jusqu’en Allemagne et d’une
dépression de basse altitude localisée au
milieu de l’atlantique.
14
Déserts et sécheresse
A : Répartition mondiale des zones désertiques à sèches
Un cinquième des terres émergées
est désertique. Les déserts sont des
régions où les précipitations sont < à
25 mm/an (classification Köppen).
Causes : absences de pluies,
déboisement, pratique du brûlis,
surpâturage Î exposition des sols au
vent et à la lumière solaire directe Î
érosion.
B : Répartition mondiale
des régions menacées de
désertification à la fin du
20ème siècle.
15
Catastrophes endogéniques
• Tectonique des plaques
• Convection dans la Terre
• Des modèles de Terre
• Volcans
• Séismes
16
Carte du fonds
des océans.
Expansion des
fonds océaniques :
carte des âges des
fonds des océans
déduites des anomalies
magnétiques causées
par inversion des
17
polarités.
La tectonique des plaques
La Pangée : il y a env. 200 My…
•
•
La tectonique des plaques est la théorie expliquant les mouvements des couches
« superficielles » de la Terre.
Le « moteur » de la tectonique des plaques est la radioactivité naturelle des roches
dans le manteau. Les mouvements de convection dans le manteau sont le moteur du
déplacement des plaques.
18
Répartition des
Différentes
plaques
Zones de subduction
Frontières en divergence
Direction de déplacement
Modèle de Terre
- Croûte
- Manteau
- Noyau liquide
- Graine solide
19
Distribution géographique des volcans
• 720 volcans en activité ; de 50-70 éruptions / an
20
Volcanisme
Type de volcanisme
Mécanismes éruptifs
Associé à une cause locale de fusion du
manteau.
Risque = f (teneur en silice)
• env. 50% : type effusif à risque limité
• zones de subduction : fluides
emprisonnés par les sédiments et
entraînés en profondeur par la plaque
plongeante
• env. 70% : type explosif (ou
pyroclastique) à risque important
• zones de distension : baisse de
pression due à l’écartement des plaques
• env. 60% : type explosif à risque variable
fonction de la teneur en eau, en gaz, de la
viscosité et de l’hétérogénéité du magma,
etc.
• volcanisme intra plaque (point chaud) :
existence d’une température
anormalement élevée (cause inconnue)
Si magma très visqueux Î explosion
brutale, nuées ardentes (gaz 800), risque
majeur régional
- Vésuve : 79, 1631
- Montagne Pelée : 8 mai 1902 (28 000 morts)
Une éruption volcanique a un effet local (coulées de laves, chutes pyroclastiques,
avalanches de débris, …), régional (chute de cendres) et global (tsunami,
21
modification climatique).
Quelques éruptions majeures
•
•
•
•
Toba (env. 73500 BP) : - 3 à – 5
°C
Santorin ( env. 3500 BP)
Explosion pyroclastique majeure,
effondrement caldera, tsunami,
perturbations climatiques
Tanbora (Indonésie), 1815, env.
92 000 morts, 3 jours de « nuit »
Krakatoa (Indonésie), 27/8/1883,
env. 40 000 morts
Tanbora
– Tsunami
– Nuage == > t°C -1°C 1884
•
Vésuve (Italie) 24-25/08/79, 20
000 morts ?, 2m de cendres à
20km (observatoire) (Pline’s)
•
Effets induits: climat et t°C
(rayonnement solaire), pluies
acides), revitalisation sols,
géothermie, matériaux
Vésuve (1631, naissance volcanologie)
22
Eifel
Massif central
- Coupe W-E localisée sous le Massif de l’Eifel (Ritter et al., 2001) montrant les
perturbations de vitesses sismiques en pourcents : des vitesses lentes sont
imagées jusqu’à plus de 400 km de profondeur avec une forme de panache ;
- Image 3D montrant la structure anormalement lente interprétée comme la trace
d’un panache sous le Massif Central avec les contraintes de la géochimie et de la
23
pétrologie (Granet et al., 1995a,b).
Tremblement de Terre …
24
Des séismes dans l’histoire
Séisme (tremblement de Terre) =
rupture sismique d’une faille et
vibrations du sol causées par
son glissement.
• Jéricho
• Lisbonne
• San Francisco (8,5)
• Messine
• Chili (9.5)
• Tangshan (7.8)
• Sumatra (9.3)
• Pakistan (7.5)
3250 BP
1755
1906
1908
1960
1976
2004
2005
• Lambesc (IX)
1909
Prévention : Oui
Prédiction : Non
Bâle (Suisse) octobre 1356 – Intensité: IX
Naples (Italie) 28 juillet 1805
25
Sismicité mondiale 1928 - 2003
TABLE DE RECURRENCE DES SEISMES DEPUIS 1900
Classification
Grand
Majeur
Fort
Modéré
Faible
Mineur
Très mineur
Magnitude
8 et plus
7 à 7.9
6 à 6.9
5 à 5.9
4 à 4.9
3 à 3.9
en dessous de 3
Moyenne annuelle
1
18
120
800
6200 estimés
49000 estimés
de 2 à 3 : 1000/jour
de 1 à 2 : 8000/jour
26
Les failles, sources des séismes
•
Les failles sont des
discontinuités de la
lithosphère
•
Une faille est une zone de
rupture dans la roche, le
long de laquelle les deux
bords se déplacent l’un par
rapport à l’autre.
San Andreas
Nord Anatolinenne
27
Loi de Gutenberg-Richter (1954)
log(N) = a – bM / magnitude +1 Î N : 10
Loi indépendante de la région : b ~ 1
Une longue faille peut se diviser en plusieurs
segments, eux-mêmes « segmentés », et ainsi
de suite jusqu’à la fracture, fissure ou
micro-fissure à l’échelle de l’échantillon.
Aspect et forme sont similaires à toutes les
28
Échelles Î autosimilarité.
Magnitude, Intensité, Moment
Sismique, Énergie
•
Magnitude (mesure quantitative) (notée M)
Valeur indépendante du lieu d'observation. Échelle ouverte.
•
Intensité (évaluation subjective quantifiée) (notée I)
Définie en un lieu par rapport aux effets produits par le séisme.
Degrés variant de I = I (non perceptible) à I = XII (changement des paysages).
•
Moment sismique (noté M0)
Caractérisation de l’énergie sismique à partir de la géométrie de la faille.
M0 = µ a S (µ = module de rigidité, a = glissement, S = surface de la faille) [N.m]
Loi d’échelle (Aki, 1967) :
M0 = α x L3 (L est la longueur caractéristique)
•
Energie : log E = 1.5 MW + 4.8 (E en Joules)
MW= 8 Î E = 6.3 1016 Joules (Alsace : consommation annuelle = 5 1016 Joules)
29
Energie (ergs) – Echelle Log.
Impact d’une météorite
Energie solaire reçue sur terre quotidiennement
Consommation annuelle d’électricité aux USA
Séisme du Chili 1960
(M=9.5)
Ouragan
Séisme d’Alaska 1964
(M=9.2)
Mont St Helens
Explosion nucléaire
Bombe atomique d’Hiroshima
ampoule
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12
Magnitude de Moment équivalente (M)
30
Une catastrophe exogénique:
Tsunami
31
Le séisme de Sumatra
(26/12/2004 – M 9,3)
32
Modélisation du tsunami
33
Création et propagation d’un tsunami
V=
gxh
g = 9,81 m / s2
h = 4000 m
Î
V = 200 m / s
λ = 100 km
T=1h
Propagation à flux
d’énergie constant
Système d’alerte
opérationnel (Pacifique)
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Face à face Terre - Homme
Des faits…
• Démographie : de 250 106 en l’an 0 à 6 109 en 2000 (10 109 en 2050),
urbanisation et mégalopoles
• Décalage entre pays fortement industrialisés et en voie de développement :
crises de l’eau et de l’énergie
Eau : enjeu de vie (ressources :1,4 109 km3, dont 2,5% d’eau douce : 35 106 km3)
- Besoin moyen de 1000 m3 / habitant (6 000 km3)
- Monde : Agriculture 75%, Industrie 20%, Domestique 5%
- Disponibilité fonction (climat, géologie, morphologie)
Énergie : un enjeu de développement
- Renouvelables, fossiles, nucléaire (France : 78%, Europe : 33%)
- Disponibilités fossiles : Charbon (200 a), Gaz (60), Pétrole (40 ??)
- 12% de la population consomme 50% des ressources
• L’Homme modifie profondément le fonctionnement des géo- et éco-systèmes :
- Agriculture, industries chimiques, nucléaires (déchets!)
- Exploitation des ressources minérales, solides et liquides de la planète
L’Homme perturbe durablement l’environnement global.
Il aura épuisé les ressources naturelles entre 1500 et 2500.
35
Développement durable?
• Environnement et catastrophes naturelles
– Il n’y a pas que le réchauffement climatique…
– Interactions de plus en plus nombreuses et fortes entre aléas naturels
et société technologique
– C’est un problème de société avec différents acteurs : scientifique,
enseignant, politique, citoyen et chacun a un rôle à assumer
Scientifique : il doit comprendre, expliquer, alerter
L’environnement doit mobiliser toutes les compétences scientifiques
• Actions
– Éduquer le citoyen, prévenir la catastrophe, gérer l’environnement
– Conserver, évaluer, valoriser le patrimoine environnemental aux
bonnes échelles spatiale et temporelle
• Vulnérabilité de nos sociétés : sans Homme, pas de risque
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