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Chapitre II: Notions de sismologie
Documents à remettre aux étudiants :
- Echelle macroscopique européenne EMS-98
- Les plaques tectoniques
- Structure interne du globe
- Carte sismotectonique de l’Algérie du Nord
- Spectres de réponse
- Echelle de Mercalli
- Magnitude
Donc c’est une science à par entière qui se propose d'étudier :
INTRODUCTION À LA SISMOLOGIE
La sismologie (ou séismologie) :
Le phénomène séisme lui-même : causes, mécanismes,
répartition, prévention et prévision.
Les ondes émises : signaux dont la déformation au cours
de la propagation nous renseigne sur la structure interne
du globe
Etudie les séismes et la propagation des ondes sismiques à travers le globe.
QU’EST CE QU’ UN SÉISME ?
Structure interne du globe
L’intérieur de la terre est constitué d’une succession de couches de propriétés
physiques, chimiques et thermodynamiques différentes.
Séisme : libération d’énergie le long d’une rupture de l’écorce terrestre (faille)
Ebranlements (ébranler : faire trembler, se mettre en mouvement)
Effets du séismes
Liquéfaction des sols (effet induit), concerne les sols pulvérulents et certaine
argile saturée.
Eboulements de rochers, glissements de terrain
Tsunamis (raz-de-marée)
Détournement de cours d.eau
Les sables fins saturés en eau peuvent être le siège d’un phénomène encore
plus spécifique au contexte sismique : la liquéfaction des sols.
LES PLAQUES TECTONIQUES
Les 3 types de frontières
Divergente :
quand une plaque s’éloigne d’une autre plaque
Convergente :
quand deux plaques plaque entrent en collision
Transformantes :
Quand deux plaques glissent une contre l’autre.
Méthodes de détermination de la composition de la Terre :
2 - Par des sondages qui atteignent quelques kilomètres de profondeur
(5 à 10 km).
1 - Par observations directes de sa composition de surface en observant
les structures superficielles visibles.
Sa constitution interne peut être établie par différentes méthodologies :
Ces observations se limitent à la connaissance très restreinte (quelques
milliers de mètres) de notre globe au regard de ses 6 370 km de rayon.
3 - Par des études de météorites- astéroïdes qui, comme la Terre,
appartiennent au système solaire et par conséquent sont susceptibles de
nous renseigner sur la composition profonde de notre Globe.
4- Par des méthodes géophysiques (ondes sismiques, gravité, magnétisme)
qui par des mesures physiques permettent d'interpréter indirectement la
structure profonde du globe.
La propagation des ondes sismiques est fonction des caractéristiques physiques
de la matière.
Etat : solide, liquide, ….
Densité
Comment nous savons cela ?
C’est par une sorte d’échographie de l’intérieur de la terre utilisant des ondes
sismiques.
Les ondes sismiques sont des ondes élastiques qui peuvent traverser un
milieu sans le modifier.
Il existe 2 grands domaines de propagation des ondes :
Les ondes sismiques
Se propagent à la surface du
globe, dans la croûte terrestre.
Causent tous ces dommages
associés aux séismes.
Les ondes de surface sont de
longue période : 20 s
Se propagent à l’intérieur de la terre,
enregistrées en +eurs points du globe.
Courte période : 1 s
Les ondes de surface Les ondes de volume (ou de volume)
Les ondes L Les ondes R
Les ondes S Les ondes P
Les ondes L (Love : Edward Love)
Les ondes sismiques de surface
Se propagent parallèlement à la surface
terrestre. Comparable aux ondes S sans
le mouvement vertical.
Provoquent ébranlement horizontal
= cause de nombreux dégâts aux
fondations non parasismique.
A vitesse constante (4 km/s)
Les ondes de Rayleigh (John W Rayleigh)
Moins importante que les ondes L
Assimilables à des vagues dans lesquels
les particules de sol se déplace selon
une ellipse rétrograde.
Les ondes sismiques de volume (ou de fond)
Les ondes P (primaires : 1ères enreg)
Dites de compression ou longitudinales
Se propagent dans solides, liquides et gaz
Créent des zones de dilatation et des zones de compression
Les particules en mouvement avant-arrière dans la direction de
propagation de l’onde
Ce type d’onde est assimilable à une onde sonore
Vitesse = 4 à 6 km/s (croûte)
Les ondes S (secondaires : 2nd enregistrées)
Ne se propagent que dans les solides
Particules oscillent dans un plan vertical, à angle droit par rapport au sens
de propagation
On parle d’ondes de cisaillement
Vitesse = 60% de celle des ondes P
Les ondes S sont plus lentes que les ondes P dans un rapport variant de 1,5 à 2.
LES DIFFÉRENTS TYPES D’ONDES
1 – LES ONDES DE VOLUME
Onde de Compression
Vitesse = 5 à 14 km/s
Onde de Cisaillement
Vitesse = 2 à 8 km/s
Onde P Onde S
LES DIFFÉRENTS TYPES D’ONDES
2 – LES ONDES DE SURFACE
radial
transverse
vertical
P
S Love Rayleigh
LE SISMOGRAMME
Plus un séisme est enregistré loin, plus il dure longtemps …
secondes minutes
minutes
8 km 800 km
8000 km
LE SISMOGRAMME
Plus un séisme est enregistré loin, plus il dure longtemps …
minutes
8 km
800 km
8000 km
LE SISMOGRAMME
Mais plus l’amplitude du mouvement est faible …
secondes minutes
minutes
20 km 200 km
2000 km
1 cm
1 mm
1 μm
LOCALISATION D’UN SÉISME
3 min = 1500 km
P S
6 min = 4000 km
12 min = 9000 km
LA STRUCTURE DE LA TERRE
Comment connaît-on la structure et la composition de la Terre ?
•Le plus grand forage au monde est profond de 12 km … •Les roches les plus profondes remontées par les volcan proviennent de 200 km de profondeur au maximum …
Sismologie
La vitesse des ondes est reliée aux propriétés des matériaux qu’elles traversent
Gravimétrie
La mesure des variations de la gravité renseigne sur les variations de densité en profondeur
DÉCOUVERTES DE L’INTÉRIEUR DE LA TERRE
1906 : Oldham =découverte des ondes S
1909 : Mohorovic = découverte de la croûte
1912 : Gutenberg = découverte du noyau
1929 : Jeffreys = noyau liquide
1936 : Lehmann = découverte de la graine
Comportement des ondes sismiques
Quand l’onde sismique rencontre la surface de discontinuité (milieu 1 et milieu 2)
Une partie de l’Energie qu’elle transporte est repoussée par réflexion vers
le milieu 1
L’autre est déviée par réfraction en passant dans le milieu 2
Deux éléments importants à prendre en compte dans l’étude des ondes sismiques :
La vitesse changement propriétés physiques du milieu : solide, liquide, ….
Existence de réflexion/réfraction discontinuité…
Cette méthodologie a permis de proposer le modèle actuel de la structure
interne du globe terrestre.
LES TROIS CATÉGORIES DE SÉISMES
Les séismes
tectoniques
Les plus fréquents et
dévastateurs, se
produisent aux limites
des plaques où il existe
un glissement entre
deux milieux rocheux.
Les séismes
d'origine
volcanique
Ils résultent de
l'accumulation de
magma dans la chambre
magmatique d'un volcan.
Les séismes
d'origine
artificielle
Ces séismes sont liés à
l'activité de l'homme.
Exemple :
- L'effondrement de cavités
naturelles et minières
- Pompages profonds
- L'extraction minière
- Les essais nucléaires
- Les explosions souterraines
- L’injection de fluides dans
les forages
- Remplissage de barrages
Un séisme est pratiquement toujours suivi
d'une série de séismes moins forts que l'on
appelle des répliques
Parfois, un gros séisme peut être précédé par
des séismes moins importants quelques heures
voire quelques jours avant. On parle alors de
précurseurs
Séisme caractérisé par :
son foyer (épicentre / profondeur) sa magnitude : énergie libérée au foyer
(Hypocentre)
CARACTERISTIQUES D’UN SEISME
Le point
d’origine du
séisme où
commence
la rupture.
Le point localisé
verticalement au-
dessus du point
foyer à la
surface du sol.
La magnitude d'un séisme est une valeur intrinsèque du
séisme, indépendante du lieu d'observation, des témoignages
de la population.
Elle nous fournit ce qu'on appelle la magnitude d'un séisme,
calculée à partir de la quantité d'énergie dégagée au foyer.
MAGNITUDE
Elle est mesurée sur l'échelle de Richter, du nom de
l'américain qui en 1935 l'a introduite pour estimer l'énergie
libérée au foyer d'un tremblement de terre et pouvoir ainsi
comparer les séismes entre eux.
M=2/3 log E [Joule] - 4.8
échelle « ouverte »: max 9
Echelle de Richter
Magnitude Effets du tremblement de terre
< 3,5 Le séisme est non ressenti, mais enregistré par
les sismographes
3,5 - 5,4 Il est souvent ressenti, mais sans dommage
5,4 - 6
Légers dommages aux bâtiments bien construits,
mais peut causer des dommages majeurs à
d'autres bâtisses
6,1 - 6,9 Peut être destructeur dans une zone de 100 km à
la ronde
7 - 7,9 Tremblement de terre majeur. Il peut causer de
sérieux dommages sur une large surface
> 8
C'est un très fort séisme pouvant causer de très
grands dommages dans des zones de plusieurs
centaines de kilomètres
QUAND ON PASSE D’UN DEGRE A L’AUTRE, ON MULTIPLIE
L’ENERGIE PAR 31.6, SOIT 1000 POUR 2 DEGRES
Nombre moyen de séismes dans le monde chaque année
Magnitude 8 7 6 5 4 3
Nombre 1 à 2 20 100 1500 7500 plus de
100 000
Magnitude Equivalence d’énergie en TNT
4.0 1010 tonnes
5.0 31800 tonnes
6.0 1,010,000 tonnes
7.0 31,800,000 tonnes
8.0 1,010,000,000 tonnes
9.0 31,800,000,000 tonnes
Exemple :
Destructions des installations humaines , modifications de
l'aspect du terrain, mais également en termes d'effets
psychologiques sur la population (sentiment de peur, de
panique, panique généralisée).
INTENSITÉ SISMIQUE
C’est une description qualitative des effets d ’un tremblement
de terre dans un lieu donné. Elle est basée sur l’observation
des dommages et la perception des observateurs
Un grand nombre d’échelles différentes ont été proposées :
La première celle de Rossi-Forel comporte 10 degrés.
Mercalli propose en 1902 une échelle à 12 divisions.
La plus récente est l’échelle MSK, proposée en 1964 par Medvedev, Sponheuer
et Karnik.
Les plus utilisées actuellement sont l’échelle Mercalli modifiée qu’on désigne
par l’échelle macroscopique internationale (EMI) et l’échelle MSK (elles
comportent 12 graduations
Estimation en un lieu
donné des effets du
séisme, en termes de
perception par la
population (II à VI),
désordres sur les
constructions (VI à X),
bouleversements sur
l'environnement (X à XII).
Elle s'écrit en chiffres
romains quelle que soit
l'échelle utilisée.
Echelle Mercalli (1902)
Echelles MSK81 (Medvedev-Sponheuer-Karnik ) et EMS98
Elle a été très utilisée en Europe et en Inde dès 1964, souvent sous la désignation
MSK64. Sa définition a été revue en 1981 sous le sigle MSK81, puis elle a fini par être intégrée en 1998 dans la définition de l'échelle macrosismique européenne EMS98.
Il existe deux grands types de sismographes :
SISMOGRAPHES
Les sismographes
verticaux qui sont sensibles
aux déplacements verticaux
du sol
Les sismographes
horizontaux qui sont sensibles
aux déplacements horizontaux
du sol.
Une station de détection sismique
doit comporter trois sismographes :
- un sismographe vertical
- deux sismographes horizontaux orientés
orthogonalement l’un à l’autre.
L’un dans la direction Sud Nord
L’autre dans la direction Est Ouest
Un sismographe doit comporter :
- Un transducteur qui transforme les déplacements en signaux électriques
- Un capteur de déplacement du sol très sensible
- Un amplificateur qui multiplie par un facteur 100 ou 1000 le signal électrique issu
du transducteur
- Un enregistreur qui inscrit les valeurs mesurées dans un fichier
- Un marquage du temps (horloge) qui doit être piloté par horloge atomique type GPS.
Carte sismotectonique de l’Algérie du Nord
Si on assimile le sol à un milieu élastique et homogène caractérisé par le module
d’élasticité longitudinal E, le coefficient de Poisson et la masse volumique ,
la vitesse des ondes P est donnée par :
et la vitesse des ondes S par :
avec constante de Lamé
Le rapport des vitesses de propagation des ondes P et S peut se mettre sous
forme :
Ce rapport ne dépend que du coefficient de Poisson :
L’onde longitudinale P se propage donc, environ une fois et demie plus vite que
l’onde transversale S. c’est le train d’ondes P qui est tout d’abord enregistré par
les séismographes.
Si l’on connaît les vitesses et
d’arrivée des ondes P et S, on peut calculer la distance entre le foyer et le point
d’enregistrement.
ainsi que les écarts qui existent entre le temps
Ce calcul, à partir d’une seule station, ne permet pas de déterminer la direction
dans laquelle se trouve le foyer, mais en utilisant simultanément les
enregistrements de plus de trois stations, on pourra déterminer sa position.
On obtient la distance de l’épicentre de la station par :
Différence de temps entre l’arrivée des ondes primaires et secondaires
qu’on obtient directement de l’enregistrement sismique à la station.
= vitesse de propagation des ondes primaires.
= vitesse de propagation des ondes secondaires.
Photos des catastrophes
de tremblement de terre
Chili, 1960 : une construction s’est effondrée, et pas ses voisines. Ce n’est
pas forcément pour des questions de mise en œuvre défectueuse ou de vétusté,
mais le plus souvent en raison d’une conception inappropriée.
Chili, 1960 : Destruction de l’angle d’une construction de maçonnerie sans chaînages.
CHI CHI – M 7,6 - TAIWAN (1999)
NIIGATA JAPON - 7,6 - (1964)
CARACAS (Capitale du Venezuela)- M 6,5 - 1967
LIQUEFACTION
KOBE – M 6,9 - 1995
GÖLCÜK - M 7,4 - TURQUIE (1999)
MOUVEMENTS DE TERRAIN - M 7,7
SALVADOR, 2001
Spitak, Armenia (1988) – magnitude 6.7 earthquake
Loma Prieta, California (1989) – magnitude 6.9 earthquake
1999
Earthquakes turquie
1999 Earthquakes turquie
A DELLYS
L'immeuble R+4 qui a perdu son RDC et 2 étages 21 MAI 2003
A ZEMMOURI
Beaucoup de constructions datant du début du siècle jusqu'en 1950
ont été détruites.
21 MAI 2003
Ville de DELLYS
L'hôpital qui date du début des
années 1950 n'a eu à déplorer que
des fissures dans les remplissages
en maçonnerie.
21 MAI 2003
Affaissements des chaussées par rapport à l’entrée ou à la sortie du pont
Silo à blé de la société ERIAD
de Corso
Effondrement d’un centre commercial
(Izmit, 1999)
Incendies (Kobe, 1995)
