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SISMOLOGIE
APPLIQUEE (1)
Éléments de sismologie appliquée
- à la construction
- à la politique de construction et d’urbanisme
- à la politique de réduction du risque sismique
Patricia BALANDIER pour DDE de la Martinique SECQUIP
1
SISMOLOGIE: ETUDE DES SEISMES
2
SEISME NICOIS DE 1564
3
OBJECTIFS DE LA SISMOLOGIE APPLIQUEE
A LA CONSTRUCTION
Connaissance des phénomènes sismiques
pouvant concerner le site à construire.
Connaissance du comportement prévisible du
site sous l’effet des séismes régionaux possibles,
proches ou lointains, selon leur Magnitude
Connaissance de la réponse potentielle des
bâtiments aux mouvements prévisibles du sol
Estimation de l’aléa sismique
– Aléa régional (identification des séismes pouvant
concerner le site)
– Aléa local (identification de la réaction possible du site)
Traduction réglementaire des connaissances
4
LES DONNEES DE SISMOLOGIE POUR
L’ARCHITECTE ET L’INGENIEUR
Le phénomène sismique
Les types de séismes, phénomènes tectoniques
Le mouvement sismique
La propagation des ondes sismiques
Les moyens d’identification de l’aléa régional
L’aléa régional
L’aléa local
Les notions d’aléa, vulnérabilité et risque
La traduction réglementaire : arbitrages
politiques
5
1 - LE PHENOMENE SISMIQUE
Contrainte,
déformation, rupture
Mécanismes de failles
Cycle sismique
Caractéristiques de la source sismique
Magnitude d’un séisme
6
INTRODUCTION
Les plaques continentales et océaniques qui constituent
la croûte terrestre se déplacent à la surface de la
planète sous l’effet des courants thermiques qui
animent le magma visqueux situé en profondeur. Ce
phénomène est étudié sous le nom de « Tectonique
des plaques ».
Les déplacements relatifs de ces plaques entraînent
des « accumulations de contraintes » à l’intérieur des
roches qui les constituent (traction, compression,
cisaillement…) Au delà d’un certain seuil de contrainte il
y a rupture du sous-sol rocheux: séisme. Ces ruptures
se produisent essentiellement dans les zones situées à
proximité des limites entre les plaques, là où les
tensions sont les plus élevées.
7
COURBE CONTRAINTE/DEFORMATION
DES ROCHES (exemple)
Le séisme est la
conséquence de la
rupture fragile de la roche
au delà du seuil de
contrainte admissible.
On distingue la
déformation élastique,
potentiellement réversible
de la déformation
plastique (rupture ductile)
qui est irréversible.
On ne peut contrôler
l’occurrence de la rupture
fragile (séisme).
On ne peut en réduire
l’importance.
8
DEFORMATION
PLASTIQUE DES
ROCHES
Dans certains cas,
les roches peuvent
se déformer sans
amorcer de rupture
fragile :
– Déplacement
tectonique lent,
– Température et
pression interne
élevée,
sont des facteurs de
plasticité.
9
DEFORMATION
CASSANTE DES ROCHES
Lorsque les conditions (niveau de
contraintes, vitesse de
déformation, température /
pression) sont réunies, une
rupture fragile de la roche peut
survenir selon un « plan de
faille ». Le point d’amorce de la
rupture est le foyer du séisme.
La propagation de la rupture sur le
plan de faille provoque des
déformations tectoniques
(cassantes).
La propagation du mouvement
vibratoire (tridirectionnel) depuis le
foyer provoque des déformations
du sol temporaires (ondes) et
éventuellement définitives (effets
induits)
10
MECANISMES DE FAILLES
Faille normale
Faille en
décrochement
Faille inverse
Décrochement « dextre » si,
face à la faille, le
déplacement se fait vers la
droite (illustration), et
« senestre » dans le cas
contraire.
11
Faille normale
12
Faille en décrochement
13
Faille normale avec
décrochement
14
LA FAILLE DE SAN
ANDREAS:
UN
DECROCHEMENT
DE PLUSIEURS
CENTAINES DE
KILOMETRES DE
LONG
15
LE CYCLE SISMIQUE
GENESE D’UN SEISME SUR UNE FAILLE
SISMOGENE, processus en trois étapes:
– Accumulation de contraintes.
– Déclenchement de la rupture au delà du seuil de
résistance des roches.
– Arrêt de la rupture sismique (quelques secondes
plus tard).
CYCLE SISMIQUE D’UNE FAILLE
SISMOGENE: succession de périodes
d’accumulation de contrainte et de ruptures
brutales sur la faille.
16
CYCLE SISMIQUE:
ACCUMULATIONS ET CHUTES DE
CONTRAINTE A REPETITION
1 – Situation au début d’une phase du cycle
2 – Déformation peu de temps avant le séisme
3 – Situation après le séisme
17
18
LE SEISME: LIBERATION D’ENERGIE
Phénomène: la chute de contrainte provoquée
par la rupture brutale de la roche sur le plan
de faille libère de l’énergie, sous forme de
chaleur et d’émission d’ondes élastiques.
Plus la surface de rupture et le déplacement
sont importants, plus la quantité d’énergie
libérée l’est.
La Magnitude représente la quantité d’énergie
libérée par le séisme.
19
PROPAGATION DES ONDES SISMIQUES
A PARTIR DU FOYER
20
PARAMETRES DE LA SOURCE
Foyer ou hypocentre: Point de déclenchement de la rupture
Azimut de la faille: Angle compris entre l’axe du méridien et
celui de la faille (orientation de la faille)
Pendage de la faille: Inclinaison de la faille
Déplacement: Longueur du glissement de la roche de part et
Surface: Surface du plan de faille concernée par la rupture
Magnitude: mesure de l’énergie libérée, dépend du moment
sismique, donc de la surface et du déplacement.
Vitesse de rupture: Vitesse de propagation de la rupture
Chute de contraintes: Différence entre l’état de contraintes
d’autre du plan de faille
(Longueur x hauteur)
dans la roche, dépend du type de roche
dans la roche avant et après le séisme (Pa).
21
MECANISME AU FOYER
La polarité des ondes
enregistrées sur les
différentes stations
permet de déterminer le
mécanisme au foyer du
séisme.
22
LOI D’ECHELLE
La « Loi d’Échelle » issue de l’observation de
nombreux séismes établit une corrélation entre la
longueur de la rupture et le moment du séisme.
Le moment du séisme, couple de forces qui a
provoqué le déplacement de part et d’autre du plan
de faille, dépend de la rigidité du milieu, de la
longueur du déplacement moyen et de l’importance
de la surface de rupture.
La loi d’Échelle permet une évaluation de la
magnitude du séisme maximum plausible à partir de
l’estimation de la longueur maximum possible de la
rupture sur la faille sismogène.
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RELATION OBSERVEE ENTRE LA DIMENSION
DE LA SOURCE ET LE MOMENT DU SEISME
Le moment du séisme est déterminé par des études sismiques
La longueur de la rupture par des études géologiques et la
distribution des répliques
LONGUEUR
- 1 000 km
MOMENT
1024 Nm
23 mai 1960: Chili
28 mars 1964 Alaska
-
-
100 km
1021 Nm
10 km
1 km
0,1 km
1018 Nm
1015 Nm
1012 Nm
-
-
TYPE DE SEISME
Les plus forts connus
Magnitude 8: nombreux dégâts
et victimes
Magnitude 6: dégâts localisés
Magnitude 4: ressentis localement
Microséisme imperceptible
24
LOI D’ECHELLE: EXEMPLE D’APPROCHE DE
L’ALEA PAR LA SIMILITUDE DES FAILLES
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MAGNITUDE D’UN SEISME
La Magnitude est une grandeur logarithmique
représentative de l’énergie rayonnée par la
source sous forme d’ondes élastiques.
Il existe plusieurs méthodes différentes de calcul
de la magnitude d’un séisme.
Elle est calculée soit à partir de l’amplitude des
mouvements enregistrés (Ml, Ms, mb, Mw), soit à
partir de leur durée (Md)
26
DIFFERENTES ESTIMATIONS DE LA
MAGNITUDE
ML = Magnitude locale (définie par Richter)
– ML = log Amax(∆) - log Ao(∆)
MS = Magnitude de surface (ondes R)
– MS = log Amax/T) + 1,66 log∆ + 3,3
(25°<∆<90°; h<80km, T environ 20s)
mb = Magnitude de volume (séismes profonds, ondes P)
– mb = log (Amax/T) + Q(∆,h)
MD = Magnitude de durée (séismes faibles et proches)
– MD = a + b log t + c log t2 + d∆
Mw = Magnitude de moment (ou de Kanamori)
(la plus fiable pour les séismes violents)
– Mw = (2/3) log Mo – 6,0
(Mo en N.m)
27
MAGNITUDE DE MOMENT
Mw est la seule estimation de l’énergie
libérée par le séisme valable au delà de 7.5.
Au delà de cette magnitude les autres types
de mesure « saturent » et ne sont pas
représentatifs.
BILAN ENERGETIQUE
Énergie libérée = ∆E = Ep1 – Ep2 = W + H
W = énergie rayonnée
H = chaleur
Rendement sismique = W/∆E (soit quelques %)
28
VALIDITE DES DIFFERENTES MESURES
DE LA MAGNITUDE
En pointillés la
magnitude de
moment. Les
autres courbes
indiquent les
résultats obtenus
par les autres
méthodes de
calcul et mettent
en évidence la
saturation au delà
de 7,5, et les
erreurs
d’appréciation qui
en découlent.
29
Relation entre la magnitude du
séisme et la longueur
de rupture
Profondeur (km)
M=8
0
M=5
M=4
M=7
M=6
15
30
Faille
30
MAGNITUDE
"échelle" ouverte de Richter (1935)
………….0
1
2
3
4
5
6
7
8
9….…………..
MARTINIQUE 1999
X 1000
PROVENCE 1909
SPITAK 1988
MARTINIQUE 1839 - GUADELOUPE 1843
QUAND ON PASSE D ’UN DEGRE A L ’AUTRE,
ON MULTIPLIE L ’ENERGIE PAR
SOIT
1000
POUR
2 DEGRES
CHILI 1960
31.6,
31
CARACTERISTIQUES MOYENNES
DE LA RUPTURE DE LA FAILLE
NBRE
MOYEN
LONGUEUR
DEPLACEMENT DUREE DE
SEISMES CARACTERISTIQUE SUR LE PLAN
LA
MAGNITUDE ANNUEL
DE LA RUPTURE
DE RUPTURE RUPTURE
9
8
7
6
5
4
1
18
125
1500
5000
800KM
250KM
50KM
10KM
3KM
1KM
8m
5m
1m
20 cm
5 cm
2 cm
250 s
85 s
15 s
3s
1s
0,3 s
ENERGIE
LIBEREE
E x 40 000 000
E x 1 200 000
E x 35 000
E x 1000
E x 33
E
32
RELATION
MAGNITUDE
/ENERGIE
LIBEREE
33
2 - LES TYPES DE SEISMES,
PHENOMENES TECTONIQUES
Types de séismes
Mécanisme au
foyer
Séismes naturels
Séismes artificiels
Jeu d'une faille
Séismes tectoniques: rupture soudaine
des roches
Séismes induits par l'activité humaine:
mise en eau d'un grand barrage,
exploitation de gaz…
Explosion
Séismes volcaniques: fracturation des
roches due à l'intrusion de magma,
dégazage, oscillation propre du réservoir
Tirs d'exploration sismique, tirs de mines
et carrières, essais nucléaires souterrains
Implosion
Séismes d'effondrement: effondrement de
cavités dans le gypse ou le calcaire,
effondrement lié à un grand glissement de
terrain
Effondrement d'anciennes mines
Les catastrophes sont dus aux séismes tectoniques, de loin les
plus violents.
La structure de la planète
La tectonique des plaques
34
SISMICITE DU GLOBE
35
SISMICITE DU GLOBE ET LIMITES
TECTONIQUES
36
SISMICITE DU GLOBE ET LIMITES
TECTONIQUES
37
GLOBE TERRESTRE COUPE
(1)
38
GLOBE TERRESTRE COUPE (2)
La lithosphère,
couche solide qui
comprend une partie
du manteau supérieur
et la croûte terrestre,
se déplace sous l’effet
des courants de
convection qui
animent
l’asthénosphère,
couche plastique du
manteau supérieur.
La croûte océanique,
formée de roches
basaltiques, est plus
dense que la croûte
continentale formée
de roches granitiques
et intermédiaires.
39
GLOBE TERRESTRE COUPE (3)
40
GLOBE TERRESTRE, STRUCTURE
41
GLOBE TERRESTRE COUPE
(Composition et températures)
42
DERIVE DES CONTINENTS,
POSITION ACTUELLE
43
Alfred Lothar
WEGENER
«
Inventeur »
de la théorie de
la dérive des
continents
44
DERIVE DES CONTINENTS,
LA PANGEE DE WEGENER
45
DERIVE DES CONTINENTS:
CORRELATIONS BIOLOGIQUES
46
DERIVE DES CONTINENTS:
CORRELATIONS BIOLOGIQUES
47
DERIVE DES CONTINENTS
OBSERVATIONS GEOLOGIQUES (1)
48
DERIVE DES CONTINENTS
OBSERVATIONS GEOLOGIQUES (2)
49
PROPOSITION DE TECTONIQUE
AU XIX° SIECLE
50
PROPOSITION
DE
TECTONIQUE
DES PLAQUES
AU XX° SIECLE
51
Plaques tectoniques
52
OU SE PRODUISENT LES SEISMES?
Zones divergentes
– Rifts continentaux
– Dorsales médio-océaniques
Zones transformantes
– Failles en décrochement
Zones convergentes
– Subduction de plaque océanique
– Collision entre plaques continentales
Zones intraplaques
– Autres formes d’accumulation de contraintes
53
TYPES DE LIMITES DE PLAQUES
54
PRINCIPAUX TYPES DE LIMITES
DE PLAQUES
55
FRONTIERE DIVERGENTE:
LE RIFT CONTINENTAL (1)
Sous l’effet des courants de convection de l’asthénosphère, une
élévation localisée de la température se produit et provoque
dilatation, rupture de la croûte et émission de magma.
56
FRONTIERE DIVERGENTE:
LE RIFT CONTINENTAL (2)
L’éloignement des deux plaques (en cours de séparation)
de part et d’autre de la limite divergente provoque un
étirement de la lithosphère et des effondrements en
« escalier » de la croûte continentale. Ce phénomène
crée une vallée d’origine tectonique: un rift continental
(ex: Rift est-africain).
57
FRONTIERE DIVERGENTE:
LA DORSALE OCEANIQUE
Il devient une mer (ex: Mer
Rouge), puis un océan (ex:
Atlantique) alors que les
continents s’éloignent au fur
et à mesure avec la
production de croûte
océanique (Effet de « tapis
roulant »).
Par effondrements
successifs (séismes
de failles normales) le
rift s’enfonce. Il finit
par être envahi par
l’eau marine.
58
TECTONIQUE DORSALE OCEANIQUE:
DETAIL
59
CYCLE DES FONDS OCEANIQUES (Exemple)
Aux Antilles, la subduction de la plaque Atlantique sous la plaque
Caraïbe génère les phénomènes sismiques et volcaniques. Les
séismes de subduction peuvent être extrêmement violents, c’est
pourquoi la Guadeloupe et la Martinique sont considérées comme
ayant l’aléa sismique le plus élevé par la réglementation française qui
a classé ces deux départements en « zone sismique III ».
60
Cycle des fonds océaniques
61
Cartographie topographique de la
dorsale médio-océanique Atlantique
62
Datation des fonds océaniques par les
inversions de polarité magnétique
63
Polarité des fonds océaniques
64
LA MER ROUGE: UN FUTUR OCEAN
ENTRE L’EST AFRICAIN ET L’ARABIE
65
Jet d’eau chaude à proximité d’un rift
66
Dorsales océaniques
67
POINTS
CHAUDS
Le déplacement
d’une plaque
océanique au
dessus d’un « point
chaud » est à
l’origine de chaînes
volcaniques isolées.
Le phénomène des
points chauds est
moins bien connu
que celui des
courants de
convection
tectoniques.
68
L’Islande,
un point
chaud
traversé par
la dorsale
médioocéanique
Atlantique
69
FRONTIERE CONVERGENTE:
LA SUBDUCTION (1)
La croûte la plus dense s’enfonce sous la plus légère.
Des séismes se produisent dans les zones contraintes des
deux croûtes.
70
FRONTIERE CONVERGENTE: LA
SUBDUCTION (2)
Peu à peu les sédiments forment un « prisme
d’accrétion » qui se déforme sous l’effet des contraintes
entre les deux plaques. Des séismes superficiels sont
alors également générés dans le prisme d’accrétion.
71
FRONTIERE
CONVERGENTE:
SCHEMAS DE
SUBDUCTION
72
Sources sismiques de l ’arc des Petites Antilles
SUBDUCTION ANTILLAISE
0
100
Arc insulaire
200 km
Prisme d'accretion
Coupe n°11
fosse océanique
0
100
Zone de
concentration
des foyers
peu profonds
B
A
C
PLAQUE AMERIQUE
PLAQUE CARAIBE
D
Zone de
concentration
des foyers
profonds
Profondeur (en km)
Martinique
0
-40
Séisme du 8/06/1999
-80
E
-120
200
A : Sources intraplaques caraïbe en faille normale
-160
B : Sources intraplaques caraïbe intermédiaire
C : Sources interplaques, plan de subduction
-200
-58.80
-61.43°;14.63°
0
40
80
120
160
200
240
D, E : Sources intraplaques Amérique subductée
300
profondeur
(km)
73
280
SUBDUCTION NORD-AMERICAINE
Représentation
schématique
des
phénomènes
sismiques
inhérents à la
zone de
subduction.
74
LE VOLCANISME, UN EFFET INDUIT DE
LA SUBDUCTION – LA MONTAGNE PELEE
75
FRONTIERE CONVERGENTE: FIN DE
SUBDUCTION, DEBUT DE SURRECTION
L’augmentation des contraintes dans le prisme d’accrétion
sédimentaire, moins dense que la croûte, provoque sa
surrection (création de massifs montagneux).
Le mécanisme de subduction se « bloque » en raison de la
trop faible densité de la lithosphère au regard de celle de
l’asthénosphère.
76
Surrection de
l’Himalaya (1)
77
Surrection de
l’Himalaya (2)
78
Progression tectonique en Méditerranée
79
LIMITES TECTONIQUES
MEDITERRANNEE
80
ZONES SISMIQUES MEDITERRANNEE
81
SISMICITE MEDITERRANEENNE
82
Sismicité
mondiale
83
Séismes destructeurs 1904-1989
84