17/11/2011
1
NOTIONS DE SISMOLOGIE
Tectonique des plaquesEt
séismes
Cours de risques sismiques.
Master de génie civil – habilitation 2011
Université Paul Sabatier Toulouse III
Pr. Erick Ringot ([email protected]), Pr. Martin Cyr ([email protected])
Révision : 17 novembre 2011
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 2
I - Caractérisation du mouvement sismique1. Mécanisme de formation d’un séisme2. Ondes sismiques et mouvement du sol3. Magnitude et intensité
0 – La notion de risques, les risques naturels,les séismes, la sismologie
III – Règles parasismiques françaises1. Prise en compte du risque sismique à l’échelle régionale2. Définition de l’action sismique sur un ouvrage
Plan du cours
II – Risque sismique1. Aléa sismique2. Effet de site – amplification locale du mouvement sismique 3. Effets induits dans les sols et les roches
a) Déplacements irréversibles sur la failleb) Liquéfactionc) Mouvements de terrain
4. Microzonage sismique
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 3
I - Caractérisation du mouvement sismique1. Mécanisme de formation d’un séisme2. Ondes sismiques et mouvement du sol3. Magnitude et intensité
1. Mécanisme de formation d’un séisme
Plan du cours
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 4
Structure de la Terre
La Terre est constituée d'une succession de
couches de composition chimique, densité
et de température différentes.
� Au centre, le noyau, qui représente 17%
du volume terrestre, et qui se divise en
noyau interne solide et noyau externe
visqueux ;
� Puis se trouve le manteau, qui constitue
l'essentiel du volume terrestre, 81%, et qui
se divise en manteau inférieur solide et
manteau supérieur principalement
plastique, mais dont la partie tout à fait
supérieure est solide ;
� Vient ensuite la croûte (ou écorce), qui
compte pour moins de 2% en volume et
qui est solide.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 5
Structure de la Terre
Lithosphère - asthénosphère
La lithosphère est la couche solide externe
comprenant une partie du manteau supérieur et
la croûte terrestre, est divisée en plaques qui se
déplacent les unes par rapport aux autres sous
l'effet des courants de convection qui animent
l'asthénosphère, couche plastique du manteau
supérieur.
La lithosphère se présente comme un ensemble
rigide et par conséquent fragile; la température
et la pression, qui augmentent avec la
profondeur, modifient ce comportement, qui
devient de plus en plus ductile, c'est-à-dire
capable de se déformer sans casser.
Ce passage du domaine cassant au domaine ductile
marque la limite lithosphère-asthénosphère.
Ces courants de convection dans l'asthénosphère sont
générés par la forte chaleur du noyau.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 6
Tectonique
étude des déformations de l'écorce terrestre et des structures qui en résultent
� Echelles d'études• spatiales: - tectonique analytique, au niveau microstructural
- mégatectonique, au niveau d'un massif- géotectonique ou tectonique globale, au niveau des plaques
• temporelles: - déformations à l'échelle des temps géologiques- déformations à l'échelle de la durée de vie d'un ouvrage
plissements, failles...
glissements, affaissement, séisme...
� Distinction selon le type de déformation et d'endommagement• tectonique cassante: - failles, cassures...
• tectonique souple: - plissements, glissements...
comportement fragile
effet du temps (fluage)
effet des T et Pcomportement viscoplastique
17/11/2011
2
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 7
Dérive des continents
La dérive des continents est une
théorie proposée au début du
20ème siècle par le physicien-
météorologue Alfred Wegener qui développa et argumenta
l'idée du déplacement des
continents à la surface de la
planète. Sa théorie est étayée par
la coïncidence des contours
géologiques de part et d'autre de
l'Atlantique sud, la similitude des
séquences de roches et les
indicateurs paléoclimatiques et
autres concordances géologiques.
Cette théorie fut ensuite confirmée par les études sur le paléomagnétisme des fonds
océaniques. Le rôle des dorsales océaniques génératrices de matière sous l'action des
courants de convection dans le manteau fut expliqué, ce qui permit de déduire le
phénomène de création continue de fonds océaniques.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 8
Dérive des continents
LES CONTINENTS FLOTTENT SUR L'ASTHÉNOSPHÈRE
La croûte continentale est plus épaisse
sous les chaînes de montagnes que sous
les plaines ; cette situation répond au
principe de l'isostasie qui veut qu'il y ait
un équilibre entre les divers
compartiments de l'écorce terrestre, en
liaison avec les différences de densité.
Les croûtes océaniques, plus denses sont
moins épaisses et sont « recyclées » à
terme dans l'asthénosphère.
Alors que les continents, moins denses
que l'asthénosphère, « flottent » à sa
surface et peuvent dériver les uns par
rapport aux autres dans un système de
plaques tectoniques.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 9
Dérive des continents
Depuis 250 MaRisques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 10
Dérive des continents
- Los Angeles, situé sur la Plaque Pacifique se retrouve à là la même latitude que San Francisco! - La Méditerranée Orientale se ferme progressivement,- La Turquie est expulsée vers l'Ouest par l'Arabie qui poinçonne l'Europe Centrale.- La collision Inde-Asie se poursuit.- L'Australie, pour le moment sur la même plaque que l'Inde, va peut être rentrer en collision avec les îles de la Sonde.
Le futur ?
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 11
Plaques tectoniques
Répartition des plaques tectoniques à la surface de la Terre
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 12
17/11/2011
3
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 13
Plaques tectoniques
Fig. Carte planisphère de corrélation entre
la sismicité terrestre et les limites tectoniques
Les séismes n'ont pas
une répartition aléatoire
à la surface de la
planète, mais sont
localisés pour leur
immense majorité sur
les frontières des
plaques lithosphériques.
La tectonique est la partie de la géologie qui étudie la nature et les causes des déformations
des ensembles rocheux,
plus spécifiquement à
grande échelle de la
lithosphère terrestre.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 14
En résumé ...
La terre est un système où toutes les pièces, tous les éléments, forment une grande
machine mue par la thermodynamique.
Plaques tectoniques
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 15
Plaques tectoniques
- Pas encore d'explication unanimement admise
- Explication probable →
http://pubs.usgs.gov/publications/text/unanswered.html#anchor19928310
� Pourquoi les plaques se déplacent-elles ?
création de cellules de convection
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 16
Classification des séismes par le critère de frontière
Classification des séismes selon le type de frontière entre les plaques tectoniques
Une première approche de classement ses séismes consiste à comprendre leur mécanisme
et le domaine tectonique qui leur est associé. C'est le long des limites entre plaques que
l'activité sismique est la plus importante et que la caractérisation des domaines tectoniques
doit être réalisée.
Il existe trois types de limites (voir plus loin) :
• les zones divergentes d'expansion océanique, dans lesquelles naît de la croûte océanique,
• les zones convergentes de subduction, dans lesquelles disparaît du matériel crustal,
• les zones transformantes, le long desquelles coulissent des plaques ou des
fragments de plaques sans création ni
résorption de croûte.
rigide
ductile
productrices d'un fort pourcentage de séismes Plaques lithosphériques
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 17
Classification des séismes par le critère de frontière
5%
15%
75%
Zones divergentes
Zones convergentes
Zones de décrochement
Dissipation de l’énergie sismique de la planète
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 18
Classification des séismes par le critère de profondeur
Classification des séismes selon la profondeur de la source
Une seconde approche consiste à considérer un évènement sismique en regard de la
profondeur à laquelle il survient.
On distingue ainsi :
� les séismes superficiels qui se produisent en faible profondeur, soit dans les premières
dizaines de kilomètres, se retrouvent autant aux frontières divergentes qu'aux frontières
convergentes ;
� les séismes intermédiaires qui se produisent entre quelques dizaines et une centaine de
kilomètres de profondeur se concentrent uniquement au voisinage des limites
convergentes ;
� les séismes profonds qui se produisent à des profondeurs pouvant atteindre plusieurs
centaines de kilomètres par rupture sous l'effet de la pesanteur des plaques " plongeant "
vers la base de l'asthénosphère. Ces séismes se trouvent exclusivement sur les limites
convergentes. Très amortis, ils ne provoquent pas de désordres sur les constructions.
17/11/2011
4
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 19
Limites divergentes
Le phénomène de divergence commence sur un continent par la formation d'un fossé étroit
ou rift accompagné d'un volcanisme basaltique. Le rift s'élargit et s'approfondit. Il finit par
être envahi par la mer. Le rift central devient alors une dorsale médio-océanique, dont
l'activité agrandit progressivement la taille de l'océan.
Fig. Cartographie topographique de la
dorsale médio-océanique Atlantique.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 20
Limites divergentes
Ride ou rift = zone de divergenceSEISMES SUPERFICIELS
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 21
Limites convergentes
Subduction des plaques océaniques
Un premier type de collision résulte de la
convergence entre deux plaques océaniques.
Dans ce genre de collision, une des deux plaques
(la plus dense, généralement la plus vieille)
s'enfonce sous l'autre : c'est le phénomène de
subduction.
La ligne d'émergence du plan de subduction correspond à une fosse océanique.
L'inclinaison des plans de subduction varie de 20 à 45°. Sur la bordure de la plaque
chevauchante, s'accumulent des écailles tectoniques constituées par les sédiments qui
sont refoulés. Cet empilement constitue le prisme d'accrétion tectonique. La plaque
chevauchante peut être une plaque continentale ou, parfois, une autre plaque océanique.
On y observe alors un archipel d'îles volcaniques séparé du continent par un bassin
marginal (Japon, Antilles).
inclinaison
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 22
Limites convergentes
CAS PARTICULIER : La zone de subduction Antillaise
La coupe schématique ci-dessous représente les
différents domaines sismogènes associés à la
subduction Antillaise et leurs mécanismes.
• En C, le plan de subduction lui-même, où sont
attendues les magnitudes les plus élevées (les
surfaces de ruptures les plus importantes).
• En A et B les séismes générés par les contraintes
en bordure de la plaque Caraïbe, de magnitudes
possibles moins élevées (dimensions des failles
moins importantes), mais pouvant être (zone A)
très proches des constructions et in fine aussi
violents (mais aux effets plus localisés) sur les
terres émergées.
• En D et E, les séismes profonds dus aux ruptures
de la plaque subductée sous son propre poids (ces
derniers sont très amortis lorsqu'ils arrivent à la
surface).
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 23
Limites convergentes
CAS PARTICULIER : La zone de subduction Antillaise
Ci-contre une coupe sur les foyers
sismiques : on reconnaît les différents
domaines auxquels s'ajoutent les séismes
dus aux contraintes sur la plaque
Amérique (zone de croûte océanique de
l'Atlantique) à proximité du plan de
subduction.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 24
Limites convergentes
Subduction par convergence d’une plaque océanique et d’une plaque continentale
Un second type de collision avec subduction
est le résultat de la convergence entre une
plaque océanique et une plaque continentale.
Dans ce type de collision, la plaque océanique
plus dense s'enfonce sous la plaque
continentale.
Les basaltes de la plaque océanique et les
sédiments du plancher océanique s'enfoncent
dans du matériel de plus en plus dense.
Rendue à une profondeur excédant les 100
km, la plaque est partiellement fondue.
La plus grande partie du magma restera emprisonnée dans la lithosphère (ici
continentale) ; le magma qui aura réussi à se frayer un chemin jusqu'à la surface formera
une chaîne de volcans sur les continents (arc volcanique continental).
17/11/2011
5
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 25
Limites convergentes
Surrection des plaques continentales
Un troisième type de collision implique la
convergence de deux plaques continentales, elle
s'accompagne de leur surrection. Ce phénomène est
à l’origine de la création des grandes chaînes de
montagne.
Phase 1
Phase 2
Lorsque les deux plaques entrent en collision, le
mécanisme se grippe : le moteur du déplacement (la
convection dans le manteau supérieur) n'est pas
assez fort pour enfoncer une des deux plaques dans
l'asthénosphère à cause de la trop faible densité de
la lithosphère continentale par rapport à celle de
l'asthénosphère. Tout le matériel sédimentaire est
comprimé et se soulève pour former une chaîne de
montagnes où les roches sont plissées et faillées. Les
deux plaques continentales se soudent pour n'en
former qu'une seule qui s'épaissit en altitude et en
profondeur.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 26
Limites convergentes
CAS PARTICULIER : la surrection de l’Himalaya
Fig. La carte montre la progression
de la plaque indienne au cours des
70 millions d'années passés.
Fig. Illustration du déplacement d'un point
théorique pendant la surrection du massif
himalayen.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 27
Limites transformantes
CAS PARTICULIER : la faille de San Andreas en Californie
Les frontières
transformantes
correspondent à de
grandes fractures qui
affectent toute
l'épaisseur de la
lithosphère; on utilise
plus souvent le terme
de « failles
transformantes ».
La faille de San Andreas en Californie est un autre bon exemple de
limite transformante: elle assure le relais du mouvement entre la limite
divergente de la dorsale du Pacifique-Est, la limite convergente des
plaques Juan de Fuca-Amérique du Nord et la limite divergente de la
dorsale de Juan de Fuca. Vitesse de glissement : 5.5 cm/an !
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 28
Phénomène sismique
La tectonique provoque des déplacements relatifs des plaques de la lithosphère en générant
un champ de contrainte au sein des roches constituantes (traction, compression,
cisaillement…).
Rupture fragile (déformation cassante)
Au delà d’un niveau de contrainte seuil, il y a rupture brutale du sous-sol rocheux : c’est là
l’origine des séismes. Ces ruptures se produisent essentiellement dans les zones situées à
proximité des limites entre les plaques, là où les tensions sont les plus élevées dans les
roches.
Déformation plastique
Dans certains cas, les roches peuvent se déformer sans amorcer de rupture fragile :
o Déplacement tectonique lent ;
o Température et pression interne élevée (en profondeur donc).
Plan de faille et foyer de séisme
Lorsque les conditions de contrainte, de vitesse de déformation, de relation température-
pression sont réunies, la rupture fragile de la roche survient selon un « plan de faille ». Le
point d'amorce de la rupture est le foyer du séisme. La propagation de la rupture depuis le
foyer sur le plan de faille provoque des déformations tectoniques irréversibles et cassantes.
La propagation des ondes sismiques (tridirectionnelle) depuis le foyer provoque des
déformations du sol temporaires ou définitives.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 29
Déformation plastique des roches
Plis ou plissementsdéformations de couches provoquées par la flexion ou la torsion des roches
géométrie des couches géologiques : déterminée par la direction et le pendage
direction d'une coucheangle par rapport au nord d'une ligne horizontale
tracée dans le plan de stratification de la couche
pendage d'une coucheangle entre le plan horizontal et la ligne de plus
grande pente du plan de stratification
sur les cartes géologiques
ou
ou
30 30ou
pendage nul : couche horizontale
pendage 90o : couche verticale
pendage et valeur indiquée
pendage sans indication numérique
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 30
Déformation plastique des roches
Fig. Illustration de la déformation
plastique des roches
17/11/2011
6
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 31
Termes désignant les
différentes parties d'un pli
Formes variables
selon l'intensité des
poussées subies
� Différentes formes de plis
Déformation plastique des roches
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 32
Déformation plastique des roches
Pli couché (Terre-Neuve, Canada) Pli déjeté (Québec, Canada)
Pli droit (Québec, Canada)
Exemples
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 33
Déformation plastique des roches
� Formation des plis
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 34
Déformation plastique des roches
Conséquences sur la morphologie
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 35
Déformation cassante des roches
Failles- cassure qui se produit entre deux blocs de terrains
- dimensions : quelques mètres à quelques centaines de kilomètres
distension
� Trois mouvements possibles
coulissement horizontal
coulissement vertical
- création d'un vide
- failles listriques création de fossés d'effondrement
ou graben (vallée du Rhin (Alsace))
- failles transformantes
αααα
ββββ
γγγγ
mouvements β et γ :
pas de vides entre les
compartiments déplacés
β β
γ γα α
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 36
Déformation cassante des roches
En 1999, un violent séisme a touché l‘ile de Taïwan, en particulier la ville de Chichi.
On voit ici le stade de la ville après le séisme.
http://www.palais-decouverte.fr/expos/vst_2k7/vs_2k7/pages/page_s2_2seisme.html
17/11/2011
7
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 37
Déformation cassante des roches
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 38
Déformation cassante des roches
� Vocabulaire lié aux failles à jeu vertical
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 39
Déformation cassante des roches
� Failles normales
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 40
Déformation cassante des roches
� Failles normales Séisme en extension
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 41
Déformation cassante des roches
� Failles listriques
Fossé d’effondrement de la vallée du Rhin
entre Vosges et Forêt-Noire
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 42
Déformation cassante des roches
Séisme en décrochement
- décalage d'un mètre dans les sillons
- séisme d'Imperial Valley (Californie, 1979)
- magnitude 7
Landers, CA 1992
� Failles transformante
17/11/2011
8
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 43
Déformation cassante des roches
faille de San Andreas
� Groupement de failles
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 44
Déformation cassante des roches
Comment les modes de groupement de failles peuvent modifier
l'exploitation d'une couche dans une carrière ou une mine ?
� Groupement de failles
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 45
Déformation cassante des roches
� Age des failles - plus récente que le plus jeune des terrains recoupés
- plus ancienne que plus vieux des terrains non recoupés
- F2 plus jeune que 1 et 2 et plus ancienne que 3
- F1 plus récente que F2
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 46
Importance des failles
• régions faillées : zones sismiques
• failles en travaux souterrains : risque de venue d'eau
• massif rocheux faillé : comportement mécanique anisotrope
exemple : faille du tunnel de Toulon, qui a entraîné un éboulement lors du percement du tunnel
� Importance des failles en génie civil
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 47
Importance des failles
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 48
Cycle sismique d’une faille active
ORIGINE D’UNE FAILLE
Un niveau de contrainte trop élevé est à l’origine de failles dans un milieu rocheux plus ou
moins homogène. Une première rupture s'est propagée à partir d'un « point d’amorçage » en
s'accompagnant d'une chute brutale de contrainte.
PROGRESSION
La faille ainsi créée constitue désormais une surface (±plane) de rupture privilégiée. Lorsque
la contrainte continue de progresser jusqu'à atteindre un nouveau seuil de rupture, la faille
progresse en s'allongeant et se ramifiant sous l'effet des séismes successifs.
A cause de la friction entre les deux parois d'une faille, les déplacements le long celle-ci ne se
font pas de manière continue et uniforme, mais par à-coups successifs, générant à chaque
fois un séisme.
RECURRENCE
Dans une région soumise à un régime de contraintes donné, des séismes se produiront de
façon récurrente (d’où la notion de cycles) sur les différents segments d'une même faille.
Chaque faille a un cycle sismique qui lui est propre et qui dépend de son mécanisme, de la
vitesse de progression des contraintes, de la nature des roches et de sa géométrie.
Le cycle de retour des séismes de différentes magnitudes se décrit de façon probabiliste.
Les régimes de contraintes d'origine tectonique évoluent à l'échelle des temps géologiques,
ainsi des nouvelles failles naissent et d'autres cessent leur activité progressivement.
17/11/2011
9
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 49
Cycle sismique d’une faille active
Phases d'un cycle sismique sur une faille sismogène
C’est un processus en trois étapes:
1. Accumulation de contraintes.
2. Déclenchement de la rupture au delà du seuil
de résistance des roches.
3. Arrêt de la rupture sismique (quelques
secondes plus tard).
Cycle sismique d'une faille
Le cycle sismique d'une faille est une succession de
périodes d'augmentation des contraintes et de
ruptures brutales. La période des cycles caractérise
l’activité de la faille.
Fig. Représentation schématique du cycle sismique dans
le cas d’une faille de décrochement :
a - Situation au début du cycle,
b - Déformation peu de temps avant le séisme,
c - Situation après le séisme
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 50
I - Caractérisation du mouvement sismique1. Mécanisme de formation d’un séisme2. Ondes sismiques et mouvement du sol3. Magnitude et intensité
2. Ondes sismiques et mouvement du sol
Plan du cours
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 51
Caractérisation d’une source sismique
Energie et magnitude
Lors d’un séisme, la rupture brutale de la roche sur le plan de faille libère de l'énergie, sous
forme de création de surface, de chaleur et d'émission d'ondes élastiques. Plus la surface
de rupture est étendue et l’amplitude du déplacement est grande, plus la quantité
d'énergie libérée est importante.
Définitions
�Foyer ou hypocentre : Point de
déclenchement de la rupture.
� Epicentre : Point de la surface terrestre à la
verticale du foyer.
�Azimut : Angle compris entre l'axe du
méridien et celui de la faille (orientation de la
faille à la surface de la Terre).
�Pendage : Inclinaison de la faille.
�Magnitude : Caractéristique de la quantité
d'énergie libérée par le séisme.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 52
Propagation des ondes élastiques
Les ondes élastiques libérées par la rupture de la faille se propagent dans toutes les
directions. Plusieurs types d'ondes aux effets différents sur les sols et les structures sont
générés par le séisme.
La connaissance des caractéristiques des différents types d'ondes et de leur mode de
propagation permet de comprendre leur action sur une structure donnée en fonction du site
géologique et de sa distance au foyer.
Les ondes de volume
Elles se propagent dans la masse
terrestre depuis la source et sont de
deux types :
� Les ondes primaires (P) : en
compression-dilatation, vitesse ~5km/h,
période ~1s, longueur d’onde ~5 km.
� Les ondes secondaires (S) : de
cisaillement, vitesse ~60% des ondes P,
période ~1s, longueur d’onde ~5 km. ondes secondaires (S)
ondes primaires (P)
Animation
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 53
Propagation des ondes élastiques
Les ondes de surface
Elles sont générées par l'arrivée des ondes de
volume à la surface du globe. Plus le séisme
est profond, moins elles sont puissantes. Elles
concernent les couches superficielles des sols.
�Les ondes de Love (L) : de cisaillement dans
le plan horizontal du sol (mouvement de
vibration latéral)
� Les ondes de Rayleigh (R) : assimilables à
des vagues dans lesquels les particules de sol
se déplace selon une ellipse rétrograde.
L
R
Onde LQ (Love) : onde cisaillante (2.9 km/s surface)
Onde LR (Rayleigh) : onde complexe (2.7 km/s surface) Animation
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 54
17/11/2011
10
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 55
Propagation des ondes élastiques
� Propagation des séismes• propagation des ondes : trajectoire
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 56
Propagation des ondes élastiques
� Propagation des séismes• propagation des ondes : trajectoire
P : onde P manteau
S : onde S manteau
K : onde P noyau
I : onde P graine
J : onde S graine
c : onde réfléchie noyau
i : onde réfléchie graine
m : ordre des réflexions
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 57
http://www.palais-decouverte.fr/expos/vst_2k7/vs_2k7/pages/page_s5_seisme.html
Propagation des ondes élastiques
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 58
Ondes L et R- gamme des « basses fréquences » (< 1 hertz) - nocives pour les bâtiments élevés - destructrices à des distances plus grandes que les ondes P et S (quelques dizaines de kilomètres)
Ondes P et S- gamme des "hautes fréquences » (> 1 hertz) - dangereuses pour diverses catégories de bâtiments bas
Effet des ondes sur les constructions
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 59
Mesure des séismes
Le premier sismographe, un "urne à séisme" a été inventé par le chinois Zhang Heng (an 132).
La réplique de ce sismographe est exposée au Muséum de Toulouse.
La jarre est ornée de huit dragons, chacun
dominant une grenouille bouche ouverte.
Le passage d'un séisme libère de la gueule d'un
des dragons une bille de cuivre. Elle est alors
recueillie par la grenouille correspondante. La
direction et le moment du séisme sont ainsi
repérés.
http://www.voyages-chine.com/guide-voyage-Chine/culture-chinoise/Le-sismographe-chine.html
http://elogedelart.canalblog.com/tag/sismographe
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 60
Mesure des séismes
http://svtbiologie.free.fr/geologieHK/sismographe-chinois.htm
http://www.chine-informations.com/guide/sismographe_2991.html
http://blog.museum.toulouse.fr/index.php/tag/bd
17/11/2011
11
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 61
Mesure des séismes
Les séismes sont enregistrés par trois sismomètres pour chaque direction de l’espace.
Les sismomètres enregistrent les accélérations
imprimés au sol sous la forme d’accélérogrammes.
De ces accélérogrammes sont déduits des
« spectres » de réponse en accélération
employés dans les codes de calcul
parasismique.
Voir le cours Eurocode 8.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 62
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 63
signaux enregistrés
A chaque station, 3
sismographes pour
mesurer les 3
composantes des
mouvements du sol
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 64
Mesure des séismesRéseau mondial sismologique http://geoscope.ipgp.fr/
Centralisation et diffusion des données (avant d'être archivées au centre GEOSCOPE, les données sont envoyées à l'PGP, à l'EOST et aux centres de l'IRD dans le monde)
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 65
Exemple de site surveillé par la France en coopération avec:Instituts de physique du globe (I.P.G.) de Paris et de Strasbourg,soutenus par l’Institut National des Sciences de l’Univers (INSU/CNRS)le ministère des Affaires étrangères et l’Institut de Recherche et Développement (IRD)
Nord du Chili
subduction de la plaque Nazca sous la cordillère andine (plaque Amérique du
Sud) = pas de grand séisme depuis celui de 1887 (magnitude 8,5) rapprochement de
10 mètres environ sur une longueur de 300 km
Mesure du « retard au glissement » = 10m depuis 110 ans stocké dans la déformation
élastique des roches (séisme magnitude >5 prédit dans la décennie)
Installation de réseaux sismologiques de surveillance aux deux extrémités de cette
“lacune sismique” et d’une station multiparamètre (gravimètre, station sismologique
de large bande spectrale, inclinomètres et antenne G.P.S. de positionnement par
satellite)
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 66
� Détectiondes séismes
• stations réparties
Mesure des séismes
17/11/2011
12
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 67
Mesure des séismes
Les vitesses de propagation des deux types d'ondes (S et P)dans la croûte terrestre établies = courbes étalonnées
Pour une distance entre séisme et point d’enregistrement de 2000 Km, l'onde P mettra 4,5 min et l'onde S mettra 7,5 min = décalage de 3 min
Dans l’exemple, distance correspondant à un décalage de 6 min = 5000 Km
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 68
La méthode des cercles
Pour une station: temps d'arrivée de l'onde P: tp = t0 + (d/Vp)temps d'arrivée de l'onde S: ts = t0 + (d/Vs)
Différence entre les deux relations précédentes :ts - tp = d · (1/Vs - 1/Vp)
On connaît les vitesses des ondes P et S dans la croûte et on admet que : (1/Vs - 1/Vp) = 1/8
D’où : d = 8 * (ts - tp)
On établit des abaques et on obtient directement d en fonction de (ts - tp)
basée sur la différence de propagation des ondes P et S
Positionnement de l’épicentre
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 69
Positionnement de l’épicentre
Le séisme se trouve sur le périmètre d’un cercle de rayon d1 centré sur une première station d’enregistrement
d1La triangulation
Avec une seconde station, on détermine la distance (d2) séparant cette station de l’épicentre du séismeLes deux points d’intersection des deux cercles définissent les deux localisations possibles de l’épicentre du séisme enregistré
d1
d2
Avec une troisième station, détermination de la distance (d3) séparant cette station de l’épicentre du séisme
Un seul point d ’intersection possible entre les trois cercles définit la position précisede l ’épicentre du séisme enregistré
d3
d2
d1
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 70
I - Caractérisation du mouvement sismique1. Mécanisme de formation d’un séisme2. Ondes sismiques et mouvement du sol3. Magnitude et intensité
3. Magnitude et intensité
Plan du cours
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 71
� Durée des séismes• secousse principale suivie de répliques
• diagramme de Husiol
- moins fortes
- habituellement même foyer
!dangereuses car agissent
sur ouvrages endommagés
temps requis pour passer de 5% à 95% de l'énergie
1
10
100
5.5 6 6.5 7 7.5 8
Magnitude
Sec
onds
Mesure des séismes
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 72
Magnitude/intensité des séismes
� Intensité des séismes
• échelle Mercalli (1902) et MSK (1964)
• échelle de Richter (1935)
- intensité sur une échelle de I à XII- basée sur les dégâts causés
et la perception qu'a eu la population du séisme
- magnitude d'un séisme, calculée à partir de la quantité d'énergie dégagée au foyer
- échelle logarithmique ouverte
Magnitude locale )(log ∆+= FT
AM m
Lµ
amplitude maximale de la
réponse d'un
sismographe étalon
supposé placé à 100 km
de l'épicentre
A : amplitude en micronsT : période en secondesF(∆) : terme empirique = amortissement du signal sismique en fonction de la distance ∆ et de la profondeur
17/11/2011
13
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 73
Intensité des séismes
Plusieurs échelles pour évaluer l’intensité des tremblements de terre
1) Echelle de Mercalli développée en 1902 et modifiée en 1956
2) Echelle MSK (Medvedev, Sponheuer et Karnik, 1964)
Ces deux échelles comportent douze degrés notés généralement en chiffres romains
de I à XII
Intensité déterminée par:
- Ampleur des dégâts causés par un séisme - Perception de la population varient en fonction de la distance à l'épicentre.
Echelle subjective
Echelle variable géographiquement
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 74
Mesure de l’intensité locale : échelle de Mercalli (1902)
Perception à l’intérieurEnregistrement par les sismomètres
Perception à l’extérieur
Quelques dommages
Dommages légers aux « bonnes constructions » destruction des « mauvaises »
Dommages considérablesModification des paysages
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 75
Echelles MSK81 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.
Degré Dégâts observés
I Seuls les sismographes très sensibles enregistrent les vibrations.
II Secousses à peine perceptibles; quelques personnes au repos ressentent le séisme.
III Vibrations comparables à celles provoquées par le passage d'un petit camion.
IV Vibrations comparables à celles provoquées par le passage d'un gros camion.
V Séisme ressenti en plein air. Les dormeurs se réveillent.
VI Les meubles sont déplacés (aN=0.10 g).
VII Quelques lézardes apparaissent dans les édifices (aN=0.15 g).
VIII Les cheminées des maisons tombent (aN=0.20 g à 0,30 g).
IX Les maisons s'écroulent. Les canalisations souterraines sont cassées (aN=0.40g).
X Destruction des ponts et des digues. Les rails de chemin de fer sont tordus.
XI Les constructions les plus solides sont détruites. Grands éboulements.
XII Les villes sont rasées. Bouleversements importants de la topographie. Crevasses visibles à la surface.
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 76
Magnitude d’un séisme
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 77
Magnitude d’un séisme
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 78
Echelle macrosismique d'intensité
17/11/2011
14
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 79
Relation Intensité-Magnitude
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 80
Echelle ouverte de Richter (1935)
Description Magnitude EffetsFréquence
(sur la Terre)
Micro <1,9 Micro tremblement de terre, non ressenti. 8 000 par jour
Très mineur 2,0 à 2,9 Généralement non ressenti mais détecté/enregistré. 1 000 par jour
Mineur 3,0 à 3,9Souvent ressenti mais causant rarement des
dommages.49 000 par an
Léger 4,0 à 4,9
Secousses notables d'objets à l'intérieur des maisons,
bruits d'entrechoquement. Dommages importants peu
communs.
6 200 par an
Modéré 5,0 à 5,9
Peut causer des dommages majeurs à des édifices
mal conçus dans des zones restreintes. Cause de
légers dommages aux édifices bien construits.
800 par an
Fort 6,0 à 6,9Peut être destructeur dans des zones allant jusqu'à
180 kilomètres à la ronde si elles sont peuplées.120 par an
Majeur 7,0 à 7,9Peut provoquer des dommages modérés à sévères
dans des zones plus vastes.18 par an
Important 8,0 à 8,9Peut causer des dommages sérieux dans des zones à
des centaines de kilomètres à la ronde.1 par an
Dévastateur 9,0 et plusDévaste des zones de plusieurs milliers de kilomètres
à la ronde.
1 tous les 6 ans
environ
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 81
Echelle ouverte de Richter (1935)
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 82
Modèle élémentaire du mouvement sismique
Modèle élémentaire de faille
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 83
Modèle élémentaire du mouvement sismique
La
Richter
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 84
Magnitude d’un séisme
La Magnitude d'un séisme (M, exprimée en chiffres arabes)
est une grandeur « logarithmique » de la quantité d'énergie
rayonnée par la source sous forme d'ondes élastiques.
MAGNITUDE
LONGUEUR
CARACTERISTIQUE
DE LA RUPTURE
DEPLACEMENT
SUR LE PLAN DE
RUPTURE
DUREE DE
LA
RUPTURE
ENERGIE
RELATIVE
LIBEREE
9 800 km 8 m 250 s 36 000 000 × E
8 250 km 5 m 85 s 1 100 000 × E
7 50 km 1 m 15 s 33 000 × E
6 10 km 20 cm 3 s 1 000 × E
5 3 km 5 cm 1 s 33 × E
4 1 km 2 cm 0.3 s E~104 MJ
Tableau - Corrélation entre les ordres de grandeur de la rupture
sismogène et la magnitude du séisme.
log
17/11/2011
15
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 85
Loi d’échelle des séismes
Les deux colonnes du tableau
précédent démontrent la
corrélation qui existe entre la
magnitude des séismes et la
longueur de la faille.
Longueur Type de séisme
1000 km Les magnitudes les plus fortes jamais
enregistrées (>9) :
Chili (23 mai 1960)
Alaska (28 mars 1964)
100 km Magnitude 8 : nombreuses victimes
10 km Magnitude 6 : dégâts localisés
1 km Magnitude 4 : ressentis localement
0.1 km Microséismes imperceptibles
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 86
Prévision des séismes
• on ne sait pas prévoir à coup sûr la date, le lieu et l'intensité d'un séisme
• on peut dire qu'une zone réputée sismique est d'autant plus dangereuse qu'elle n'a pas subi d'événement sismique depuis longtemps
• signes prémonitoires
• méthode VAN
- la faille de San Andreas coulisse au sud de San Francisco de quelques mm par an de manière continue
- au nord, au contraire, son mouvement est bloqué depuis 1906 (énergie emmagasiné)
- diminution de la résistivité des roches- variation du champ magnétique local- augmentation de la circulation des eaux souterraines, variation du niveau d'eau des
puits et du débit des sources- activité sismique plus importante que le bruit de fond habituel- légères déformations de la surface du sol détectables par des inclinomètres- inquiétude des animaux peu de temps avant la secousse
- basée sur la mesure des impulsions électriques qui se propagent dans le sol- réseau de stations réceptrices réparti sur toute la Grèce
Risques sismiques - SISMOLOGIE master GC UPS Tlse 3 / E.Ringot, M.Cyr page 87
Prévention contre les séismes
• éducation de la population
• respect des normes de construction
- éviter de construire en zone de faille- en zone sismique, éviter de construire sur des terrains en
pente, sur des terrains meubles, alluvions en particulier, qui entrent en résonance
- le béton est un bon matériau parasismique mais la structure elle-même doit être parasismique : chaînages raidisseurs, éviter les corniches et balcons, etc.
Kobe, Japon 1995