Ma^trise des sciences de la Terre et de l'univers

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1 Universite Joseph-Fourier, Grenoble Ma^trise des sciences de la Terre et de l'univers COURS DE SISMOLOGIE F. Thouvenot Grenoble, septembre

2 Chapitre 1 G EN ERALIT ES 1.1 Denition de la sismologie La sismologie est la science des tremblements de Terre. Elle se propose d'etudier : 1. le phenomene sismique lui-m^eme : cause des seismes, leurs mecanismes, leur repartition (sismicite), la prevision (quelquefois aussi denommee prediction a cause de l'inuence anglo-saxonne), et la prevention (evaluation de l'alea sismique qui, couple a d'autres facteurs tels que la stabilite des pentes ou la resonance de sediments meubles, constitue le risque sismique) 2. les ondes emises, qui nous renseignent sur la structure interne du globe jusqu'en son centre on designera par prospection sismique ou plus simplement sismique l'utilisation de sources articielles (explosions, vibrateurs, canons a air, etc.) au lieu des seismes naturels pour atteindre les m^emes objectifs, mais en general avec des cibles beaucoup moins profondes (quelques centaines de metres a quelques dizaines de kilometres). Par ailleurs, la sismometrie est l'etude de l'appareillage qui enregistre les mouvements du sol (sismographe). 1.2 Seismes et failles Le Grand dictionnaire encyclopedique Larousse denit un seisme comme un (( mouvement brusque ou secousse de l'ecorce terrestre )). La soudainete 2

3 Fig. 1.1 { Plan de faille (grise) et vecteur-glissement (eche). du phenomene est caracteristique. La duree de rupture est courte (quelques diziemes de seconde a quelques minutes). Un seisme tectonique est un phenomene qui correspond presque toujours au rejeu d'une faille preexistante. Ces seismes se produisent engeneral aux frontieres 1 des plaques lithospheriques, mais en restant localises dans la lithosphere, plus rigide et plus cassante que l'asthenosphere sous-jacente 2. La gure 1.1 fait appara^tre le vecteur ;! d, qui est le vecteur-deplacement (ou vecteur-glissement). Il se decompose en une composante horizontale (coulissage) et une composante verticale (rejet). Ces deplacements peuvent ^etre importants lors de gros seismes 3.Leseisme de San Francisco de 1906 (M = 7 9), lie au jeu de la faille de San Andreas, a provoque un coulissage horizontal de 7 m et un rejet d'un metre sur pres de 500 km de long. Outre les seismes tectoniques, on peut citer deux autres types de seismes : 1. les seismes volcaniques, dus aux surpressions liees a des montees de magma 1. L'exemple de la sismicite de l'asie montre qu'on peut avoir egalement des seismes intraplaques. 2. L'asthenosphere est situee au-dela de 100 km de profondeur environ, sauf au niveau des dorsales oceaniques ou elle aeure, et dans les zones de subduction ou la lithosphere plonge jusqu'a 680 km de profondeur. 3. Ou, plus exactement, lors de seismes de magnitude elevee : ce terme sera introduit ulterieurement disons simplement pour l'instant que la magnitude est proportionnelle au logarithme du deplacement du sol. 3

4 Fig. 1.2 { Foyer F,epicentre E et distance epicentrale. 2. les seismes induits, lies a l'injection de uides dans le sous-sol, au pompage des hydrocarbures, au remplissage de certains barrages presentant des hauteurs d'eau importantes, a l'exploitation miniere (coups de toit) dans tous les cas cites, la cause est une perturbation apportee par l'homme a l'etat de contrainte d'une region plus ou moins etendue du sous-sol. Explosion de l'usine AZF (Toulouse, 2001). Les explosions ne sont pas a proprement parler des seismes, mais cet autre type de source sismique peut parfois ^etre enregistre jusqu'a detres grandes distances. Les explosions nucleaires de forte puissance sont ainsi aisement detectables par des sismographes installes a l'autre bout du monde. 1.3 Quelques denitions Le foyer F d'un seisme (Fig. 1.2) est l'endroit ou debute la rupture. On doitgarderent^ete cette denition lorsqu'on etudie des plans de faille sur lesquels la rupture s'est propagee sur plusieurs kilometres (M > 5), voire plusieurs centaines de kilometres (M >8). h est la profondeur focale E est l'epicentre l'heure-origine est en general designee par H 0.SiS est une station sismologique, sadistance epicentrale est 4

5 , mesure en degres de l'angle d EOS. SilaTerre avait une circonference de km, on aurait 1 = km. La Terre a en fait un volume equivalent a celui d'une boule de rayon km, et 1 = km. Un seisme de magnitude superieure a 5 est presque toujours suivi de repliques :cesont de petits rejeux sur le pourtour du plan de faille 4 ou a sa proximite. Les repliques, de magnitude moindre que celle du choc principal, peuvent se poursuivre pendant plusieurs annees. Par exemple, pour le seisme d'annecy de 1996 (M = 5 3), la duree des repliques a depasse deux ans. Exceptionnellement, on observe aussi des precurseurs (quelques jours avant, ou quelques heures, quelques minutes, quelques secondes). Toute la diculte est de pouvoir les identier, ce qui est impossible si l'on n'etudie pas parallelement d'autres parametres. On penetre la dans le domaine de la prevision, qui, dans de rares cas, a pu sembler ^etre ecace, mais qui reste actuellement illusoire d'une facon generale. 4. Ou, plus exactement, sur le pourtour de la surface de rupture (qui n'est pas forcement strictement plane). 5