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 inverse Faille en décrochement 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 d autre du plan de faille Surface: Surface du plan de faille concernée par la rupture (Longueur x hauteur) 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 dans la roche, dépend du type de roche Chute de contraintes: Différence entre l état de contraintes 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. 23
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 MOMENT TYPE DE SEISME - 1 000 km 10 24 Nm Les plus forts connus - 23 mai 1960: Chili - 28 mars 1964 Alaska - 100 km 10 21 Nm Magnitude 8: nombreux dégâts - et victimes - 10 km 10 18 Nm Magnitude 6: dégâts localisés - 1 km 10 15 Nm Magnitude 4: ressentis localement - 0,1 km 10 12 Nm Microséisme imperceptible 24
LOI D ECHELLE: EXEMPLE D APPROCHE DE L ALEA PAR LA SIMILITUDE DES FAILLES 25
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 t 2 + 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 M=8 Profondeur (km) 0 15 30 M=5 M=4 M=7 M=6 Faille 30
MAGNITUDE "échelle" ouverte de Richter (1935).0 1 2 3 4 5 6 7 8 9... X 1000 MARTINIQUE 1999 PROVENCE 1909 SPITAK 1988 MARTINIQUE 1839 - GUADELOUPE 1843 QUAND ON PASSE D UN DEGRE A L AUTRE, ON MULTIPLIE L ENERGIE PAR 31.6, CHILI 1960 SOIT 1000 POUR 2 DEGRES 31
CARACTERISTIQUES MOYENNES DE LA RUPTURE DE LA FAILLE MAGNITUDE NBRE MOYEN SEISMES ANNUEL LONGUEUR CARACTERISTIQUE DE LA RUPTURE DEPLACEMENT SUR LE PLAN DE RUPTURE DUREE DE LA RUPTURE ENERGIE LIBEREE 9 800KM 8 m 250 s E x 40 000 000 8 1 250KM 5 m 85 s E x 1 200 000 7 18 50KM 1 m 15 s E x 35 000 6 125 10KM 20 cm 3 s E x 1000 5 1500 3KM 5 cm 1 s E x 33 4 5000 1KM 2 cm 0,3 s 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 Explosion Implosion Séismes tectoniques: rupture soudaine des roches Séismes volcaniques: fracturation des roches due à l'intrusion de magma, dégazage, oscillation propre du réservoir Séismes d'effondrement: effondrement de cavités dans le gypse ou le calcaire, effondrement lié à un grand glissement de terrain Séismes induits par l'activité humaine: mise en eau d'un grand barrage, exploitation de gaz Tirs d'exploration sismique, tirs de mines et carrières, essais nucléaires souterrains 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 Par effondrements successifs (séismes de failles normales) le rift s enfonce. Il finit par être envahi par l eau marine. 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»). 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 0 100 200 km Arc insulaire Prisme d'accretion fosse océanique Martinique Coupe n 11 0 100 Zone de concentration des foyers peu profonds Zone de concentration des foyers profonds A PLAQUE CARAIBE D B C PLAQUE AMERIQUE Profondeur (en km) 0-40 -80 Séisme du 8/06/1999 E -120 200 A : Sources intraplaques caraïbe en faille normale -160 300 profondeur (km) B : Sources intraplaques caraïbe intermédiaire C : Sources interplaques, plan de subduction D, E : Sources intraplaques Amérique subductée -200 0-61.43 ;14.63-58.80 40 80 120 160 200 240 280 73
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