Relations séismes-failles : sources, propagationjacdev/ens/tcp1_18.pdf · 2018. 9. 11. · 10 Exercice Exprimer, en terme d’amplitude, l’augmentation de la magnitude de 2 unités

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Relations séismes-failles : sources, propagation

• 1. Propagation des ondes et contraintes (rappels)

• II. Caractériser un séisme: localisation, magnitude, intensité (rappels)

• III. Rupture: source, mécanisme

• IV. Conclusions

Station

X = distance hypocentrale

Z = Profondeur du séisme

D = Distance épicentrale

Sismogramme

A

Temps (s)

Partie I : Les tremblements de terre et leurs effets J. Albaric, Janvier 2007

1. Propagation des ondes et des contraintes

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Ondes émises: de différents types –Trajets multiples

Séisme = émetteur naturel multidirectionnel d’ondes de volume et de surface

P. Bernard, Pourquoi la Terre tremble, 2017


L’ébranlement sismique se propage sous forme d’ondes sismiques élastiques à l’intérieur de la Terre

source

récepteur

Larroque et Virieux (2001). Figure modifiée.

Séisme = émetteur naturel multidirectionnel d’ondes de volume et de surface


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Surface: De petites pressions…Profondeur:des contraintes de plus en plus fortes!

• Sous nos pieds, une roche dure s’enfonce de très peu, subissant une pression de quelques dixièmes de bars

• En profondeur, la pression augmente considérablement: la roche est écrasée, devient compacte, mais elle résiste, car « écrasée » de tous côtés

• Seule une différence de contrainte la déforme, jusqu’à la rupture parfois

P. Bernard, Pourquoi la Terre tremble,2017


Régime coulissant

Régime extensif

Régime compressif

Rejet longitudinal dominant

Rejet verticaldominant

-> Failles représentatives: décrochantes, normales, inverses

Notion de contrainte: σ = F/SForce transmise à travers un corps de forme irrégulière en équilibre

www.prim.net.fr

Géométrie de la faille active

• Séisme = rupture sur une faille• La rupture se propage, le milieu « vibre » au passage des

ondes


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Les ondes mesurées

Réseaux

Sismogramme

A. Localisation1I. Caractériser un séisme

-> Station sismologique-> Amplitudes, S-P-> Proximité et densité du réseau-> Seuil de magnitude (« threshold »)

A. LocalisationLocaliser l’épicentre d’un séisme grâce aux sismogrammes

Partie I : Les tremblements de terre et leurs effets J. Albaric, Janvier 2007

d2

d1

d3

d = (ts − tP ) ÷1

VS−

1VP

1I. Caractériser un séisme

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A. LocalisationLocaliser l’épicentre d’un séisme grâce aux sismogrammes

tS − tP = d1

VS−

1VP

S


A.N. pour Vp/Vs = 1.7 et Vp = 6 km/s

Profondeur des séismes

Echelle de profondeur

http://neic.usgs.gov/neis/epic/epic.html


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M.A. Gutscher


Exemple de failles « géantes », de grande dimension, complexes

M.A. Gutscher


Imager la subduction profonde: distribution d’hypocentres (Subduction du Nord Tonga)

W E

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B. Magnitude et énergie- valeur calculée traduisant l’énergie du séisme,- indépendante du lieu d'observation,- indépendante des témoignages de la population

La notion de magnitude a été introduite en 1935 par l'Américain Charles Francis Richter pour les séismes locaux Californiens afin d'estimer l'énergie libérée au foyer d'un tremblement de terre et pouvoir ainsi comparer les séismes entre eux.

C’est une fonction continue, qui peut être négative ou positive et qui en théorie n'a pas de limites.

Lors de la rupture qui se produit au foyer d'un tremblement de terre, la plus grande partie de l'énergie se dissipe sous forme de chaleur. Une partie seulement se propage au loin sous forme d'ondes élastiques. La magnitude de Richter mesure l'énergie émise sous forme d'ondes élastiques.


Les différentes échelles de magnitude :

• La magnitude locale ML (Richter): ML = logA + BA (en mm) est l’amplitude maximale mesurée avec un sismographe Wood Anderson, B la correction de la distance

• La magnitude de surface Ms :utilisée pour les séismes lointains, dits téléséismes, dont la

profondeur est inférieure à 80 km. Elle se calcule à partir de l'amplitude des ondes de surface.

• La magnitude de volume mb : définie pour tous les téléséismes et en particulier pour les séismes profonds, car ceux-ci génèrent difficilement des ondes de surface. Elle est calculée à partir de l'amplitude de l'onde P.

• La magnitude de moment Mw (Kanamori) : définie pour les très gros séismes.Mw = 2/3*log( M0 ) - 10.7 avec M0 =µDS

Mo est le moment sismique (en N.m), µ la rigidité du milieu(en N.m-2), D le déplacement moyen sur la faille (en m) et S la surface de la faille (en m2).


B. Magnitude et énergie

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-Valeur de magnitude basée sur l’énergie émise au foyer: Mw, déduit du moment sismique Mo

Mo = μ . S . D en N.m

μ = Coefficient de rigidité (N.m-2)S = Surface de la faille qui a subi la ruptureD = Glissement sur la faille

Pour un Δσ moyen de 3 MPa:logE = logMo – 4.3



Larroque et Virieux, 2001

Mw = 2/3*log( M0 ) - 10.7 avec M0 =µDS



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L’énergie des séismes



loi d’échelle: espace (M-S)

Sumatra 2004L

Log(S)



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Exercice

Exprimer, en terme d’amplitude, l’augmentation de la magnitude de 2 unités.

Solution

Cela revient à multiplier l’amplitude par 100ML = logA + BML + 2 = logA + B + 2 = log(100*A) + B

Remarques- Un séisme de magnitude 5.0 correspond environ à l'énergie dégagée par la bombe nucléaire qui détruisit Hiroshima.- La relation qui existe entre la magnitude et l'énergie sismique libérée montre qu'un séisme de magnitude 7 libère à lui seul autant d'énergie qu'une trentaine de séisme de magnitude 6.

(log E= 4.8+1.5MW)



Séisme : rupture sur une failleGéométrie de la faille

B. Hernandez (2000)

1II. Rupture: Source, mécanisme

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- Exemple 3: Landers (1992) vu par interférométrie radar

Landers, 1992

Géométrie de la faille


Loi de Byerlee Loi définissant la contrainte nécessaire à la réactivation d'une fracture σc = tan φf (σn).

Module d'incompressibilité La résistance élastique qu'un solide offre à un changement de volume. Il s'agit du delta de la contrainte hydrostatique / le delta de volume du solide.

Angle de friction interne

L'angle que fait l'enveloppe de fracturation de Mohr-Coulomb avec l'horizontale. Correspond au degré de friction interne d'une roche.

Force de cohésion La résistance interne d'un corps à la déformation. Dans le diagramme de Mohr, il s'agit de l'ordonnée à l'origine de l'enveloppe de fracturation.


Module de cisaillement ou de rigidité

La résistance d'un corps au cisaillement. Il s'agit de la contrainte de cisaillement / déformation cisaillante (σs/γ).

Etat physico-chimique sur la faille

(voir cours L. Geoffroy)

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Relation entre dimension des ruptures, magnitudes et failles

Questions: Pourquoi plus de petits séismes?Comment s’effectue la rupture?Répliques? Loi de Gutemberg-Richter – Loi d’Omori

https://www.youtube.com/watch?v=bC3GAjTjYrgFILM de Pascal BERNARD (IPGP)


Mécanique des failles• Dimension des failles, relation avec la durée de rupture, le

déplacement sur la faille, l’énergie dissipée, la magnitude• Vitesse des ondes, types d’ondes, écarts S-P en fonction de la

distance

https://www.youtube.com/watch?v=ldZ9mXA8eNM

FILM de Pascal BERNARD (IPGP)


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Loi de Frottementfrottement

glissementDcU

Uµ

- Glissement critique Dc: quelle dépendance d’échelle?

- Dc est-il un paramètre constitutif?

- Rôle de l’épaisseur de la zone de faille, de la rugosité de faille?


Pascal BERNARD (IPGP)

creep

précurseurs

PRECURSEURS


Circulation de fluidesPascal BERNARD (IPGP)

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Relation entre nombre de petits séismes et longueur des ruptures: hypothèses, analogies



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1V. Conclusions

- Un séisme naît sur une faille, discontinuité physique du milieu géologique, fracture fermée, souvent héritée

- Lors du séisme, la rupture se propage sur la faille suivant un processus complexe (instabilité)

- La rupture a pour conséquence la propagation d’onde et une chute de contrainte

- Il existe une relation claire entre dimension des failles sismogènes et magnitude des séismes: lois d’échelle

- Ces lois d’échelle sont fondamentales et vérifiées statistiquement mais ne permettent pas de comprendre le déclenchement de la rupture et ses variations: la physique de la rupture des milieux hétérogène est complexe

- Il existe un continuum entre glissement sismique et asismique- Les failles dominent le domaine cassant mais existent aussi en

domaine ductile!

Relations séismes-failles

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Relations séismes-failles : sources, propagationjacdev/ens/tcp1_18.pdf · 2018. 9. 11. · 10 Exercice Exprimer, en terme d’amplitude, l’augmentation de la magnitude de 2 unités