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Projet ONAMAZU : Evaluation quantitative de la réponse non-
linéaire des sols lors du grand séisme Tohoku
CONTEXTE DE REALISATION
Dans l’après-midi du 11 mars 2011, un méga-séisme de
subduction (Mw 9.0) a eu lieu au large des côtes de la
région de Tohoku (Japon). Grâce à plusieurs réseaux
sismiques japonais, des données d’excellente qualité
ont été enregistrées ; en particulier des données
susceptibles de contenir de l’information sur le
comportement non-linéaire entre les contraintes et les
déformations au sein des sédiments de proche surface
(i.e., quelques centaines de mètres de profondeur). La
compréhension de ce phénomène non-linéaire est
primordiale pour mieux quantifier le niveau d’aléa
sismique dans les régions à sismicité forte ou modérée
car la relation entre les contraintes et les déformations
a un impact direct sur les niveaux d’accélérations
enregistrés en surface. En partenariat avec nos
collègues japonais, nous avons utilisé l’ensemble des
données à disposition (pré-chocs, choc principal,
répliques et mesures de bruit de fond) enregistrées sur
plusieurs sites pour répondre à certaines questions
fondamentales en sismologie des mouvements forts:
Vers quelles profondeurs apparaît la réponse non-
linéaire des sédiments ? Quels niveaux de déformations
sont mis en jeu ? Y-a-t-il un recouvrement des
propriétés mécaniques élastiques suite à des effets non-
linéaires.
OBJECTIFS
La détermination des propriétés mécaniques des
sédiments (ou de leurs niveaux de déformations) en
profondeur nécessite la résolution d’un problème
inverse ; en d’autres termes, au lieu de calculer les
formes d’ondes (ex : l’accélération du sol) à partir des
propriétés mécaniques des sédiments, nous tentons de
remonter à ces propriétés mécaniques à partir des
accélérations. Ce type de problème étant généralement
sous-contraint (i.e., nombre d’inconnues supérieur au
nombre d’équations), nous nous assurons dans un
premier temps de la robustesse de notre technique
d’inversion – couplant un algorithme génétique et la
méthode des matrices de propagation de Thomson-
Haskell – sur un jeu de données synthétiques. Par la
suite, nous décodons à l’aide de cette technique les
informations incluses dans les accélérations observées
en surface pour remonter à la vitesse des ondes de
cisaillement et aux facteurs d’amortissements des
couches de sédiments. Pour étudier le recouvrement
des propriétés mécaniques des sols au cours du temps,
nous avons développé une technique d’analyse temps-
fréquence pour suivre l’évolution temporelle de la
fréquence prédominante d’un site. Pour cela, nous
utilisons un ratio de transformées de Stockwell qui
génère des informations à haute résolution, aussi bien
en temps qu’en fréquence.
PROGRAMME DES TRAVAUX
Le projet ONAMAZU est un projet de recherche
fondamentale coordonné par le BRGM en France et par
le « Disaster Prevention Research Institute (DPRI, Kyoto
University) » au Japon. Les partenaires sont l’IFSTTAR
(France), SHIMIZU Corporation (Japon) et NIED (Japon).
Le projet a débuté en octobre 2011 pour une période de
18 mois. L’aide ANR (Agence National de la Recherche)
s’élève à 60 k€ et l’aide JST (Japanese Science and
Technology Agency) s’élève à 28 k€ ; soit 88 k€ au total.
RESULTATS OBTENUS
Ce projet a permis d’améliorer la connaissance des
propriétés mécaniques de plusieurs sites KNET et KiK-
net. Afin de mener à bien les inversions décrites ci-
avant, un milliard d’accélérogrammes générés
synthétiquement ont été comparés aux
accélérogrammes observés afin de remonter aux
propriétés des sites. Certains sites nous ont clairement
permis de quantifier les niveaux de non-linéarité mis en
jeu dans les couches sédimentaires ; d’autres, plus
complexes du fait de leur géométrie à deux ou trois
dimensions, suggèrent que des inversions basées sur
une théorie à une dimension peuvent être fortement
biaisées.
PARTENAIRES TECHNIQUES
1. BRGM, France
2. IFSTTAR, France
3. DPRI, Japon
4. SHIMIZU, Japon
5. NIED, Japon

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PARTENAIRES FINANCIERS
1. Agence National de la Recherche (ANR, (68%)
2. Japan Science and Technology Agency (JST,
(32%)
REFERENCES
De Martin, F., Kawase, H., Bonilla, F., and Matsushima,
S. (2012). Inversion of equivalent linear soil parameters
during the 2011 Tohoku earthquake, Japan. In 15th
World Conference on Earthquake Engineering, Lisbon,
Portugal.
De Martin, F., Kawase, H., and Bonilla, F. (2012).
Inversion of equivalent linear soil parameters during the
2011 Tohoku earthquake, Japan. In One Year after 2011
Great East Japan Earthquake, International Symposium
on Engineering Lessons Learned from the Giant
Earthquake, Tokyo, Japan.
De Martin, F., Matsushima, S., and Kawase, H. (2013).
Impact of geometric effects on near-surface Green’s
functions. Bulletin of the Seismological Society of
America. Vol. 103, no. 6, pp. 3289-3304, doi:
10.1785/0120130039
Ducellier, A., Kawase, H., and Matsushima, S. (2013).
Validation of a new velocity structure inversion method
based on horizontal-to-vertical (H/V) spectral ratios of
earthquake motions in the Tohoku area, Japan. Bulletin
of the Seismological Society of America Vol.103, No.2A,
pp.958–970, doi: 10.1785/0120120214.
Nagashima, F., Kawase, H., and Matsushima, S. (2012).
Inversion of basement incident waves and strong-
motion simulation based on observed waves during The
2011 Off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake, DPRI
Annual Meeting.
Hayakawa, T., Satoh, T., Oshima, M., Kawase, H.,
Matsushima, S., Nagashima, F., and De Martin, F. (2012).
Inversion of Velocity Structure at K-NET Tsukidate Site
Based on the Array Microtremors and Observed Ground
Motions and Its Nonlinearity, DPRI Annual Meeting.
ILLUSTRATIONS
Comparaison entre des données observées (i.e., accélération du sol lors d’un séisme, courbe noire) et des données
inversées (courbes rouges). Les données inversées sont obtenues en recherchant les meilleures propriétés mécaniques des
couches de sédiments permettant de reproduire au mieux les données observées.