Les notions de base
Qu’est-ce qu’un séisme ?
Un séisme, ou tremblement de terre, est une secousse soudaine du sol provoquée par la libération brutale d’énergie accumulée dans la croûte terrestre. Cette énergie est libérée lors du mouvement des plaques tectoniques le long des failles.
Les séismes se produisent principalement aux frontières des plaques, mais peuvent aussi survenir à l’intérieur des plaques dans les zones de faiblesse de la croûte.
Les ondes sismiques
Lors d’un séisme, l’énergie libérée se propage sous forme d’ondes sismiques à travers la Terre. Il existe deux types principaux d’ondes :
- Les ondes de volume (P et S) qui traversent l’intérieur de la Terre
- Les ondes P (primaires) sont les plus rapides et compriment et dilatent la roche
- Les ondes S (secondaires) sont plus lentes et cisaillent la roche
- Les ondes de surface (Rayleigh et Love) qui se propagent à la surface de la Terre et causent la majorité des dégâts
Magnitude vs intensité
Il est important de distinguer la magnitude et l’intensité d’un séisme :
Magnitude | Intensité |
|---|---|
Mesure quantitative de l’énergie libérée par le séisme à son foyer | Mesure qualitative des effets et dommages du séisme en un lieu donné |
Valeur unique pour un séisme donné | Varie en fonction de la distance à l’épicentre et des conditions locales |
Déterminée à partir des enregistrements sismiques | Évaluée à partir des observations sur le terrain et des ressentis |
Échelle logarithmique (de 1 à 9 et plus) | Échelle d’intensité (par exemple EMS98, de I à XII) |
Les échelles de magnitude
L’échelle de Richter
L’échelle de Richter, développée en 1935 par Charles Richter, est la première échelle de magnitude utilisée pour mesurer la puissance des séismes. Elle se base sur l’amplitude maximale des ondes sismiques enregistrées par un sismomètre à 100 km de l’épicentre.
1. Principe de calcul
La magnitude de Richter (ML) est définie comme le logarithme en base 10 de l’amplitude maximale des ondes sismiques (A) mesurée en micromètres, corrigée de la distance (D) à l’épicentre :
ML = log10(A) - log10(A0(D))Où A0(D) est une fonction de calibration qui dépend de la distance.
2. Limites et saturation
L’échelle de Richter présente plusieurs limites :
- Elle est saturée pour les séismes de forte magnitude (supérieure à 6.5-7) car l’amplitude des ondes ne peut plus être mesurée précisément
- Elle ne prend pas en compte la durée du séisme ni la fréquence des ondes
- Elle est adaptée aux séismes locaux mais moins aux séismes lointains ou de grande profondeur
La magnitude de moment (Mw)
Pour pallier les limites de l’échelle de Richter, de nouvelles échelles de magnitude ont été développées, dont la magnitude de moment (Mw) introduite par Hanks et Kanamori en 1979. Elle est basée sur le moment sismique, une mesure de l’énergie libérée par le séisme.
1. Intérêt et principe
La magnitude de moment présente plusieurs avantages :
- Elle ne sature pas pour les forts séismes et permet de mieux les distinguer
- Elle prend en compte la dimension de la faille activée et le déplacement le long de celle-ci
- Elle est adaptée à tous les types de séismes (locaux, régionaux, lointains) et toutes les profondeurs
Le moment sismique M0 est défini comme le produit de la rigidité de la roche μ, de la surface de la faille S et du déplacement moyen D :
M0 = μ × S × D
La magnitude de moment Mw est alors calculée à partir du moment sismique M0 exprimé en N.m :
Mw = (2/3) × log10(M0) - 6.07
2. Exemples de grands séismes
Séisme | Date | Magnitude Mw |
|---|---|---|
Chili | 22/05/1960 | 9.5 |
Alaska | 28/03/1964 | 9.2 |
Sumatra | 26/12/2004 | 9.1 |
Japon (Tohoku) | 11/03/2011 | 9.0 |
Mesurer la magnitude
Les instruments de mesure
1. Sismomètres et sismographes
Les sismomètres sont les instruments de base pour détecter et enregistrer les ondes sismiques. Ils sont constitués d’une masse suspendue à un ressort qui oscille lors du passage des ondes. Les mouvements de la masse sont convertis en signal électrique.
Les sismographes sont des sismomètres couplés à un système d’enregistrement (autrefois sur papier, aujourd’hui numérique) qui produit des sismogrammes, représentant l’amplitude des ondes en fonction du temps.
2. Réseaux de surveillance
Les sismomètres sont déployés en réseaux à différentes échelles :
- Réseaux locaux pour surveiller l’activité sismique autour des zones à risque comme les volcans, les failles actives…
- Réseaux nationaux pour couvrir le territoire d’un pays
- Réseaux globaux comme le réseau FDSN (Federation of Digital Seismograph Networks) qui regroupe des stations du monde entier
Ces réseaux permettent de localiser précisément les séismes, de calculer leur magnitude et de produire des cartes d’aléa sismique.
Analyse des signaux
1. Ondes de volume (P et S)
L’analyse des ondes de volume P (primaires) et S (secondaires) enregistrées par les sismomètres permet de :
- Déterminer le temps origine du séisme (instant de la rupture)
- Localiser l’hypocentre (point de départ de la rupture en profondeur) par triangulation à partir des temps d’arrivée des ondes P et S à différentes stations
- Calculer la magnitude à partir de l’amplitude et de la période des ondes
2. Ondes de surface
L’analyse des ondes de surface, notamment les ondes de Rayleigh, permet d’obtenir des informations complémentaires sur :
- La magnitude de surface Ms basée sur l’amplitude des ondes de surface à 20s de période
- Le mécanisme au foyer (géométrie de la faille et direction du glissement) par modélisation de la forme des ondes
Les défis actuels
Affiner les échelles de magnitude
Les sismologues cherchent à améliorer les échelles de magnitude existantes et à en développer de nouvelles pour mieux caractériser les séismes. Parmi les pistes explorées :
- Prendre en compte la durée du signal sismique et pas seulement l’amplitude maximale
- Mieux intégrer les effets de la directivité de la rupture (propagation préférentielle dans une direction)
- Combiner différents types d’ondes (volume et surface) et différentes bandes de fréquence
Mieux comprendre la source des séismes
Un enjeu majeur est de mieux comprendre les processus physiques à l’origine des séismes et contrôlant la rupture sismique. Cela passe par :
- L’analyse fine de la forme d’onde des sismogrammes pour imager la source en détail
- La modélisation numérique de la dynamique de la rupture et des effets non-linéaires
- L’étude des séismes par d’autres méthodes géophysiques (GPS, InSAR, mesures de déformation)
Evaluer l’aléa sismique
Mieux comprendre les séismes permet d’améliorer l’évaluation de l’aléa sismique, c’est-à-dire la probabilité qu’un séisme d’une certaine magnitude se produise en un lieu donné sur une période donnée. Cela se fait par :
- L’analyse statistique des catalogues de sismicité instrumentale et historique
- L’identification des failles actives et l’estimation de leur taux de glissement
- La prise en compte des effets de site (amplification locale des ondes sismiques)
L’objectif est de produire des cartes d’aléa sismique les plus fiables possibles pour adapter les normes parasismiques et guider la prévention du risque.
Magnitude et effets des séismes
Estimation des dommages potentiels
La magnitude d’un séisme permet d’estimer en première approche les dommages potentiels qu’il peut causer. Plus la magnitude est élevée, plus les secousses sont fortes et étendues. Cependant, les effets réels dépendent aussi :
- De la profondeur du foyer (les séismes superficiels sont plus destructeurs)
- De la distance à l’épicentre (l’intensité des secousses décroît avec la distance)
- De la géologie locale (les sédiments meubles amplifient les ondes sismiques)
- De la vulnérabilité des constructions (respect ou non des normes parasismiques)
Echelles d’intensité macrosismique
Pour évaluer les effets et dommages réels d’un séisme, on utilise des échelles d’intensité macrosismique. L’échelle la plus utilisée aujourd’hui est l’EMS98 (European Macroseismic Scale 1998) qui comporte 12 degrés :
- Degrés I à III : Séisme non ressenti ou faiblement ressenti
- Degrés IV à V : Séisme largement ressenti, réveil des dormeurs, chutes d’objets
- Degrés VI à VII : Légers à importants dommages aux constructions vulnérables
- Degrés VIII à IX : Dommages importants à généralisés aux constructions, effondrements partiels
- Degrés X à XII : Destruction massive des constructions, changements de paysage
L’intensité est évaluée point par point à partir des observations sur le terrain et des témoignages. On peut alors tracer des cartes d’isoséistes reliant les points d’égale intensité.
Prévention du risque sismique
Connaître la magnitude et les effets potentiels des séismes permet de mettre en place des politiques de prévention du risque sismique :
- Normes de construction parasismique adaptées à l’aléa local
- Plans d’urbanisme évitant les zones les plus exposées
- Sensibilisation et préparation de la population aux bons comportements en cas de séisme
- Développement de systèmes d’alerte précoce basés sur la détection rapide des ondes sismiques
- La magnitude mesure l’énergie libérée par un séisme à son foyer. Elle est différente de l’intensité qui caractérise les effets et dommages en surface.
- Plusieurs échelles de magnitude existent, de l’échelle de Richter (ML) à la magnitude de moment (Mw) plus précise pour les forts séismes. Elles sont calculées à partir des enregistrements des ondes sismiques par les sismomètres.
- La magnitude permet d’estimer les effets potentiels d’un séisme, mais les dégâts réels dépendent aussi de la profondeur du foyer, de la distance à l’épicentre, de la géologie locale et de la vulnérabilité des constructions.
- Mieux comprendre les séismes et leur magnitude est crucial pour évaluer l’aléa sismique et adapter la prévention du risque, à travers les normes parasismiques, l’urbanisme, la sensibilisation de la population et les systèmes d’alerte.
Documentation officielle sur les séismes :
