Notes de cours: Les Séismes

Tectonique des Plaques

  • Il y a 200 à 250 millions d'années, l'océan Atlantique n'existait pas ; la Terre était un continent unique, la Pangée, entouré d'un océan appelé Pan Thalassa.
  • La Pangée s'est morcelée en plusieurs continents qui ont dérivé jusqu'à leurs positions actuelles.
  • L'expansion des fonds marins est à l'origine de la théorie de la tectonique des plaques.
  • La lithosphère, couche extérieure rigide du globe, est composée d'une mosaïque de plaques indéformables, épaisses de 70 à 150 km.
  • Le rayon de la Terre est de 6371 km en moyenne.
  • Les plaques rigides flottent sur un milieu magmatique appelé asthénosphère.

Plaques Tectoniques

  • Le nombre de plaques varie selon le modèle proposé (6 à 15 plaques principales et plusieurs secondaires).
  • Les plaques s'écartent, s'affrontent ou coulissent les unes par rapport aux autres.
  • Ces mouvements de 1 à 15 cm par an sont dus à des courants de convection à l'intérieur du globe.
  • Ces courants résultent d'une répartition non uniforme de la chaleur interne du noyau, chaleur provenant de la désintégration d'éléments radioactifs.

Séismes et Tensions

  • Les collisions et distensions des plaques produisent des tensions dans les roches comprimées, étirées ou cisaillées.
  • La roche tend à se libérer de ces tensions, et lorsqu'elle y parvient, une rupture soudaine du massif rocheux se produit de manière brutale.
  • Cette libération d'énergie provoque des vibrations qui se propagent à travers le globe, causant un séisme.

Définition d'un Séisme

  • Un séisme correspond à un glissement soudain sur un plan de faille, libérant l'énergie accumulée sous forme de déformation élastique.
  • La partie fragile de la croûte terrestre se comporte comme un élastique que l'on étire lentement jusqu'à sa rupture.
  • Les forces responsables de cet étirement sont permanentes dans la croûte terrestre.
  • Après un séisme, le système se remet en charge, préparant le prochain séisme.
  • Une faille qui a produit un séisme en produira d'autres.
  • Les séismes destructeurs (magnitude supérieure à 6) se produisent sur de grandes failles.

Exemples de Séismes Historiques

  • LOMA PRIETA-1989
  • NORTHRIDGE-1994
  • GRECE
  • LE CAIRE-1992
  • MENJIL-1990
  • TURQUIE
  • PITAK-1988
  • ALGER - 2003
  • INDE-1993
  • CHINE-1988
  • KOBE-1995
  • FLORES -1992
  • MEXICO -1985
  • COLOMBIE-1994
  • EQUATEUR-1987
  • CHILI-1985
  • TAIWAN-1999
  • TURQUIE-1999
  • SALVADOR-2001
  • PEROU-2001
  • SEATTLE-2001
  • INDE-2001

Prévention des Effets des Séismes

  • La construction de bâtiments parasismiques est la seule manière efficace de protéger les populations vivant dans les zones dangereuses.
  • Évaluer le risque sismique implique de reconnaître, étudier et évaluer le potentiel sismique des failles actives.

Failles et Zones de Subduction

  • Une plaque océanique s’enfonce sous une plaque continentale dans une zone de subduction.
  • La croûte océanique (basalte) est plus lourde que la croûte continentale (roches granitiques).
  • Les plaques continentales de même densité ne provoquent pas de subduction lorsqu'elles s'affrontent.
  • La subduction compense l'extension des fonds océaniques.

Types de Failles

  • Décrochantes.
  • Inverses ou chevauchantes.
  • Normales.
  • La rupture en surface ne se produit généralement qu'en cas de séisme de magnitude supérieure à 6.

Types de Séismes

  • Séismes déclenchés par l'homme (ex : explosion nucléaire).
  • Séismes naturels:
    • Volcaniques.
    • Tectoniques.
    • D'effondrement.

Séismes Tectoniques

  • Les collisions et distensions entre les plaques produisent des tensions importantes dans les roches :
    • Comprimées (séisme de subduction, entre plaques continentales ou intraplaques).
    • Étirées (séisme de dorsales).
    • Cisaillées (séisme de failles transformantes).
  • Les tensions engendrées par les roches se traduisent par une accumulation d'énergie de déformation potentielle.
  • Le dépassement de la capacité des roches à stocker l'énergie provoque une rupture qui progresse le long de la faille.
  • L'énergie libérée se transforme en chaleur, déformation de la faille et énergie cinétique (ondes sismiques).

Paramètres de la Rupture sur une Faille

  • Magnitude 5.0 : Longueur de rupture 3-4 km
  • Magnitude 6.0 : Longueur de rupture 10-15 km, rejet d'environ 20 cm
  • Magnitude 7.0 : Longueur de rupture 40-50 km, rejet de 1-2 m
  • Magnitude 7.4 : Longueur de rupture d'environ 140 km, rejet max de 4 m
  • Magnitude 8.0 : Longueur de rupture 200-300 km, rejet de 4-6 m
  • Magnitude 9.0 : Longueur de rupture 800-1000 km, rejet de 15-20 m

Magnitude vs Intensité

  • Magnitude = Énergie des ondes sismiques.
  • Intensité = Effets ressentis en surface.

Caractéristiques des Séismes Tectoniques

  • Il peut y avoir des séismes précurseurs et des répliques, et, le long des dorsales, des essaims de petits séismes.
  • Les sols étirés accumulent peu d'énergie.
  • La rupture de la faille peut parfois remonter en surface pour une magnitude supérieure à 6.

Séismes de Failles Transformantes et Intraplaques

  • Les séismes de failles transformantes engendrent des séismes violents (ex : San Francisco 1906 et 1989) car la rupture s'étend sur une grande longueur.
  • Les séismes intraplaques peuvent aussi avoir des effets violents car ils sont plus proches et moins profonds.

Caractéristiques d'un Séisme Tectonique : Foyer

  • Foyer : Lieu de la rupture.
    • Séismes normaux ou superficiels : profondeur de 0 à 70 km (90% des séismes détectés).
    • Séismes de subduction : profondeur de 71 à 700 km (intermédiaires de 71 à 300 km et profonds de 301 à 700 km).
  • Ce lieu est défini par l'intersection des enregistrements de trois sismographes (années 30) qui délivrent des sismogrammes.

Caractéristiques d'un Séisme Tectonique : Epicentre et Energie

  • Épicentre : Projection à la surface du globe du lieu du foyer.
  • Énergie libérée : Magnitude (Charles Richter, 1935).
    • Aucun séisme enregistré n'a atteint 10.
    • La quantité d'énergie libérée double toutes les fois que la magnitude augmente de 0.2, et est multipliée par 32 pour un degré.
    • Un séisme de magnitude 8.6 (Alaska 1964) libère en 30 s 5 * 10^{17} joules, soit 10 fois la consommation annuelle d'énergie de la France.

Échelle de Richter

  • Échelle ouverte de Richter (1935).
  • Exemples:
    • AIN TEMOUCHENT1999
    • TIPAZA 1989
    • SPITAK 1988
    • BOUMERDES 2003
    • TURQUIE99
    • EL ASNAM 80
    • CHILI 1960
  • Quand on passe d'un degré à l'autre, on multiplie l'énergie par 31.6, soit 1000 pour 2 degrés.

Échelle de Mercalli

  • Échelle de I à XII, Utilisée pour les séismes anciens et basée sur les effets des séismes.
  • Exemples :
    • Intensité III : Secousse faible ressentie par quelques personnes.
    • Intensité VIII : Effondrements de certains bâtiments, chutes de cheminées, crevasses dans le sol.
    • Intensité XII : Effondrement de tous les bâtiments, topographie du paysage bouleversée.

Ondes Sismiques

  • Leur période reste constante et leur amplitude diminue avec la distance.
  • Se propagent dans toutes les directions à partir du foyer.
  • Ondes de volume qui génèrent, à partir d'une certaine distance de l'épicentre, des ondes de surface.

Ondes de Volume

  • Petites périodes, de l'ordre d'une seconde. Concernent plus particulièrement les zones proches de l'épicentre.
  • Ne se propagent pas dans les milieux liquides. Amplitude moyenne.
    • Ondes de dilatation-compression longitudinales P (primae undae) : 7 à 8 km/s. Peuvent engendrer des ondes acoustiques.
    • Ondes de distorsion, de cisaillement S transversales (secundae undae) : 4 à 5 km/s.

Ondes de Surface

  • Ondes de forte amplitude et à grande période, de l'ordre de 20 s, induites par les ondes P et S, qui vont faire le tour de la Terre. Leur amplitude diminue avec la profondeur du foyer.
    • Ondes de Raleigh (ondes R) : Effet de houle, elliptiques, composante verticale importante.
    • Ondes de Love (ondes L) : Transversales, même vitesse que S, cisaillements du sol parallèles à la surface. Se propage uniquement dans les milieux stratifiés.

Sismogrammes

  • Ils caractérisent les mouvements sismiques du sol sur un site donné pour un séisme déterminé.
  • Les ondes sismiques sont différentes selon le lieu où elles sont enregistrées car leur énergie est progressivement dispersée, dissipée en chaleur, leur amplitude et leur période sont modifiées en fonction des caractéristiques physiques, mécaniques et géométriques des milieux traversés.
  • Ils fournissent la durée du séisme et la profondeur du foyer.

Accélérogrammes

  • Les accélérogrammes mesurent l'accélération du mouvement du sol et produisent des accélérographes.
  • Les accélérations sont exprimées en fonction de l'accélération de la pesanteur g = 9.81 m/s^2.
  • L'homme perçoit des accélérations à partir de 0.005g. À 0.1g, il éprouve des difficultés à garder son équilibre.

Effets des Séismes

  • Effets directs :
    • Déformations du terrain.
    • Mise en oscillations des bâtiments.
    • Effets de site : topographique (falaise, colline), de frontière entre sols rigides et sols mous, d'amplification dans les sols mous.
  • Effets induits :
    • Liquéfaction des sols.
    • Tsunamis.
    • Glissements de terrain.
    • Éboulements rocheux.