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Les colères de la Terre :Introduction aux risques naturels

Enseignants: G. Chazot, J. Déverchère et J. Perrotjperrot@univ-brest.fr

La grande vague au large de Kanagawa, 1823-29, Katsushika

Hokusai

- Pourquoi et comment se produisent ces phénomènes?

- Peut-on les prévoir ?

- Peut-on les contrôler?

Tsunami- Phénomène connu mais qui dépend entre autres de l'occurrence des séismes et dont les effets sont encore difficiles à anticiper

->Surveillance et prévention

Variations des pressions dans l'eau

GPS

Remparts anti-tsunami

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110 Volcans Actifs

Surveillance

température

composition gaz volcaniques

distancemètre

Séismes

1 séisme toutes les 30 secondesRisque naturel complexe :- natures et mouvements du solSurveillance: écoute sismologiquePrévention très importante

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Inondations et glissements de terrainRisques naturels complexes:- Paramètres internes: natures et mouvements du sol, présence de failles-Paramètres externes: Climat

Surveillance: GPS, tachéomètre,...

Organisation de l’UETous les mardis de 17h30 à 19h30 excepté le 1er novembre, jusqu'au mardi 29 novembre inclus –AMPHI B

Examen le 6 décembre 2016 durée: 1 heure Crédits ECTS: 2.5QCM

Emploi du temps et cours sur le web:https://perso-sdt.univ-brest.fr/~jperrot/colereterre

Les cours seront accessibles sur Moodle également

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Zoom 1/2

Responsable pédagogique: Julie PerrotIntervenants: Gilles Chazot, Jacques Déverchère

2016 UE Libre

Colères de la Terre :Introduction aux risques naturels

- Pourquoi et comment se produisent ces phénomènes?- Peut-on les prévoir ?- Peut-on les contrôler?

J.D.: « Sismogéologue »Rift Baïkal, marge algérienne, rift Tanzanien

Séismeshttps://perso-sdt.univ-brest.fr/~jacdev/

Guide pratique, partie Séismes

�Consulter après le cours:¡Les notes et illustrations du PDF (et éventuelles

annexes)¡La bibliographie fournie par J. Perrot (site web cité)¡Les sites internet cités¡La définition des mots-clés du texte que vous ne

comprenez pas bien

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Zoom 1/2Séismes: un des aléas naturels• aléas naturels : contribution essentielle à l'étude du risque• Caractéristiques fondamentales par 5 questions :

• Quelle est la cause du phénomène ? (contexte géodynamique externe ou interne)

• Quelles sont ses conséquences ? (quelles « réactions » déclenchées?)• Quand se réalise-t-il ? (fréquence, caractère rythmique ou aléatoire, lien

avec la prévision)• Où se réalise-t-il ? (notion de zone à risque)• Avec quelle intensité ? (quelle énergie mise en jeu, donnée indispensable

pour relier l'ensemble aux conséquences sur les enjeux)• Aléas reliés :

• à la géodynamique externe : mouvements de sol, événements liés à l'eau (inondations, tsunamis etc...), à l'air (tornades, ouragans)

• à la géodynamique interne : risques sismiques et volcaniques

Zoom 1/2Séismes: Objectifs du cours

• Compréhension de l’origine et des mécanismes de déclenchement des séismes

• Analyse des risques associés : notions d’aléa et de vulnérabilité

• Mise en place des systèmes de prévention et/ou impact sur les populations

• Progrès récents liés à de nouvelles méthodes de détection et d’observation, et développements et perspectives de recherche dans ce domaine

• Etudes de cas

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Zoom 1/2

2016 UE Libre Plan• 1. Le séisme : rupture sur une faille

– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture– 1B. Types de mouvements– 1C. Le rebond élastique (Ried 1910) : Les phases inter -, co-, post-sismiques, le

cycle

• 2. Séismes: évaluation, distribution temps-espace, lois d’échelle– 2A. Mesures - Principes de localisation – 2B. Magnitude, intensité, correspondances entre failles actives et magnitudes– 2C. Distribution dans le temps et l’espace: liens avec la vitesse relative des

plaques

• 3. La protection contre le risque sismique– 3A. Notions d’aléa et de vulnérabilité– 3B. Prévision des tremblements de terre: la prédiction court, moyen, long

terme par l’analyse des cycles et par la modélisation– 3C. Prévision du mouvement du sol: la prévention– 3D. Génie parasismique

DEFORMATION ELASTIQUE:Déformation instantanée, réversible -Relation linéaire entre déformation et contrainte (Loi de Hooke, valable pour des déformations faibles)

n FLUAGE: Déformation à contrainte constante

n Roche cassante = à déformation élastique avant la rupture pour des contraintes relativement faibles

n Le contraire: roche ductile

DEFORMATION PLASTIQUE:Déformation non réversible – Plus de relation linéaire entre déformation et contrainte

Seuil de plasticité

Déformation inverse par relâchement des contraintesDéformation permanente

l 1. Le séisme : rupture sur une faille– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture

Rupture

Quelques termes clés:

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Régime de contrainte: coulissant

Régime de contrainte : extensif

Régime de contrainte : compressif

Rejet longitudinal dominant

Rejet vertical dominant

Rejet vertical dominant

-> Failles représentatives: décrochantes, normales, inverses

Notion de contrainteForce transmise à travers un corps de forme irrégulière en équilibre

l F=F1 (et opposées pour un corps en équilibre).

l F transmise à travers des surfaces imaginaires inégales ->intensité de la réaction sur ces plans est inégale -> force par unité de surface = contrainte

En fonction de la contrainte appliquée sur un corps, celui-ci va résister ou se déformer – Pour une contrainte donnée, cette capacité dépend de l’état rhéologique du corps

1. Le séisme : rupture sur une faille

Contrainte forteContrainte

faible

Résistance des roches et de la lithosphèreEnveloppe rhéologique

Profil (ou enveloppe) rhéologique (« arbre de Noël ») où:- Axe horizontal = Contrainte différentielle: σ1 - σ3 , avec σ1 > σ2 > σ3

- Lecture du profil:1. Dans enveloppe = domaines non déformés ou présentant une déformation élastique (réversible). 2. Hors enveloppe : la roche subit une déformation : soit cassante (loi de Byerlee), soit ductile (loi de fluage, non linéaire)

Site ENS Lyon

Partie sismogène

l 1. Le séisme : rupture sur une faille– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> ruptureNotion de résistance

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Résistance des roches et de la lithosphèreVariations des propriétés rhéologiques: « strength »

-> Effet du gradient géothermiqueSite ENS Lyon

l 1. Le séisme : rupture sur une faille– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture

Notion de résistance

Integrated strength map for intraplate Europe. Adopted composition for upper crust, lower crust and mantle is based on a wet quartzite, diorite and dry olivine composition, respectively. Rheological rock parameters are from Carter and Tsenn (1987). The adopted bulk strain-rate is 1016 s-1 .

Cloetingh et al., 2005

Cloetingh et al., 2005

-> Autres paramètres: composition, fluides, taux de déformation

l 1. Le séisme : rupture sur une faille1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture

Notion de résistance

Résistance des roches et de la lithosphèreVariations des propriétés rhéologiques: « strength »

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Zoom 1/2

Séisme : rupture sur une faille

www.prim.net.fr

Géométrie de la faille Mécanisme au foyer

1B. Types de mouvements

1. Le séisme : rupture sur une faille

F.F

96.3

6

7

3.4

43

Faille de San Andreas

AM.N

PAC.

CO.

J.deF.

Le séisme de San Fransisco 1906

1B. Types de mouvements

1. Le séisme : rupture sur une failleFaille décrochante dextre

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Le séisme de San Francisco en 1906

Original de l'enregistrement du séisme de 1906 à San Francisco, Observatoire Lick

Le séisme de San Fransisco 1906

1. Le séisme : rupture sur une faille

Faille décrochante: Séisme de Luzon, Philippines, 1990, Mw 7.7

1. Le séisme : rupture sur une faille

Faille décrochante sénestre(doc. Jean-Claude Ringenbach, TOTAL)

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Spitak, Arménie, 1988, Mw 6.8

El Asnam, Algérie, 1980, Mw 7.3

1. Le séisme : rupture sur une faille

Faille inverse

Lac Baïkal, Sibérie

Grèce

Faille normale

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BILAN: La Rupture1. Mise sous contraintes

(mouvements des plaques)2. Déclenchement: rupture dans

les parties rigides car contraintes accumulées dépassent la résistance des roches

3. Propagation de la rupture sur la faille

-> Chute de contrainte

1. Le séisme : rupture sur une faille

Implications: Roche cassante – Rupture: assez tôt - Cisaillement

Le modèle: Ried, 1910

– 1C. Le rebond élastique : Les phases inter-, co-, post-sismiques, le cycle

Les différents « moments »: chargement élastique, rupture sismique, période post-sismique

Période intersismique

Chargement élastique

Période cosismique

SEISME: Chute de contrainte –Libération de l’énergie sismique accumulée

1. Le séisme : rupture sur une faille

-> Notion de « cycle » sismique (rebond élastique répété)

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Pas de récurrence sismique régulière car ce n’est pas aussi simple dans la nature…:

Temps

Con

train

te

Résistance mécanique (frottement)

A D

C

B

Pourquoi? Variations des propriétés de friction sur les failles:Faible couplage, déformation asismique, phénomènes transitoires de glissement lent, rôle de fluides, etc…

Illustration de la complexité de la rupture

Modèle conceptuel d’une séquence de rupture (exemple du Nord Pérou):a. Anatomie frictionnelle d’une interface de subduction faiblement couplée; b. Accumulation des contraintes avant laséquence.c,d,e. « sous-séquences » sismiques et glissement asismiquef. Pour comparaison: Anatomie frictionnelle d’une interface fortement couplée(Rolandone, 2015), HDR

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Mesuresde déformationpar GPS à travers la faille San Andreas enCalifornie(période1992-2000):

Distance perpendiculaire à la faille de San Andreas (km)Vite

sse

mes

urée

par

GP

S (m

m/a

n)⇒ La faille ne glisse pas: Faille

bloquée

⇒ La zone autour de la faille se déforme

Mesure du chargement élastique : OUI

INTERSISMIQUE

COSISMIQUE

Période intersismique

– 1C. Le rebond élastique (Ried 1910) le cycle1. Le séisme : rupture sur une faille

Question: Peut-on démontrer l’existence des périodes inter- et co-sismiques?

Exemple historique: Mesures pendant le séisme de Landers (M=7.2, Juin 1992, Californie)

Période cosismique

Day of year (1992)

Dist

ance

var

iatio

n (c

m)

Variation de distance entre les sites GOLD et PIN1 mesurée par GPS

Route décalée par la faille lors du séisme de Landers de 1992

Déplacements liés au séisme de Landers

mesurés par interférométrie radar

Satellite ERS

2.8 cm / frange

Mesure de la rupture : OUI