Définitions

Sismicité
Magnitude
Collision
Néotectonique
Paléosismologie
Cycle sismique et déformation cosismique
Failles et plan de faille
Aléa sismique

Sismicité
L’ensemble des séismes qui se produisent dans un espace défini et au cours du temps, constitue la sismicité de ce domaine. Cette sismicité est renseignée dans différents catalogues de sismicité en fonction de la source documentaire utilisée :

  • les catalogues de sismicité instrumentale rassemblent les données décrivant les séismes détectés par les sismomètres des réseaux de surveillance sismique. Les sismomètres mesurent, en un lieu géographique donné, la vitesse du déplacement selon les trois composantes de l’espace suite à une sollicitation sismique. Ils restituent cette information sur un sismogramme dont l’analyse par le sismologue permet de définir certaines caractéristiques du séisme (localisation, magnitude, mécanisme au foyer…). En France, le premier réseau de surveillance sismique, celui du LDG, est opérationnel depuis le début des années soixante. Depuis 1981, les informations fournies par les observatoires régionaux sont centralisées à l’EOST de Strasbourg pour constituer le RENASS (Réseau National de Surveillance Sismique).

    Sismicité historique

    Carte de la sismicité instrumentale de la France et des régions limitrophes de 1962 à 2000 (sources LDG). Cette carte localise l’ensemble des séismes de magnitude supérieure à 3 enregistrés par les sismomètres du réseau de surveillance sismique du LDG/CEA.

  • les catalogues de sismicité historique détaillent les caractéristiques des séismes (date, heure, épicentre, localité, bibliographie) mentionnés dans les sources documentaires anciennes (voir figure). Ce travail est réalisé par des historiens. Pour les évènements les mieux connus, une carte de la distribution des intensités évaluées dans chaque localité précise la géographie de la secousse (coordonnée de l'épicentre, tracés d'isoseistes...). Ces documents permettent d’estimer la magnitude et la profondeur focale des séismes anciens. En France, le séisme le plus ancien dont on conserve la trace historique, date du Vème siècle.

  • les catalogues de paléosismicité rassemblent les traces des déformations directes (ruptures de surface, voir figure) ou des déformations induites (liquéfactions…) de séismes encore plus anciens. Pour être retrouvés, ces paléoséismes nécessitent des investigations poussées, mises en œuvre par les géologues qui s’appuient sur des indices topographiques (escarpements, déviations des cours d’eau…) et sédimentologiques. L’excavation de tranchées au travers de l’ancienne rupture de surface permet alors d’estimer certaines caractéristiques du séisme (amplitude du déplacement superficiel au droit de la tranchée, âge du dernier séisme…) et du cycle sismique (durée entre deux séismes majeurs, comportement de la faille sismogène...). En se basant sur des lois empiriques élaborées à partir de séismes récents (par exemple Wells et Coppersmith), ces données permettent aussi une estimation de la magnitude de ces paléoséismes.

  • Carte Sisfrance

    Carte de la sismicité historique de la France depuis le Vème s (source Sisfrance : épicentres d'intensité > IV et de localisation fiable).

    Paléorupture

    Paléo-rupture de surface observée dans les sédiments pléistocènes supérieurs (~30 000 ans) du fossé de la Rur (Allemagne) au droit de la faille de Rurrand (projet Paléosis). Cette déformation est le résultat d’un séisme ancien (photo BRGM).

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Magitude
L’énergie libérée : la magnitude du séisme
La magnitude rend compte quantitativement la taille d’un séisme en se basant sur son enregistrement (sismogramme) par un sismomètre. Selon la partie du train d’ondes sismiques utilisée dans sa quantification, différentes magnitudes peuvent être définies.
A la suite de Wadati, Richter introduit en 1935 une première échelle de magnitude définie comme le logarithme décimal de l’amplitude maximale du train d’onde sismique enregistré par un sismomètre particulier (type Wood-Anderson) situé à 100 km de l’épicentre du séisme. La magnitude de Richter est connue comme la magnitude locale (ML) et n’a pas de limites supérieures et inférieures. Le passage d’un degré de l’échelle de Richter correspond à un saut énergétique d’environ 30 fois le niveau précédent. En effet, différentes périodes vibratoires dominent pour chaque magnitude et une partie de l’énergie libérée par le séisme est absorbée en chaleur par friction sur le plan de faille et par la déformation permanente. De plus, ce saut varie pour les différents intervales de magnitude.
Le sismomètre Wood-Anderson n’apparaît pas bien adapté à la mesure des longues périodes d’où la difficulté de calculer précisément la magnitude des gros séismes et des séismes lointains. Pour palier à ce problème, d’autres définitions de la magnitude, basées sur la mesure des ondes sismiques de période supérieure à la seconde, ont donc été proposées (par exemple la magnitude des ondes de surface, Ms, ou la magnitude des ondes de volume, Mb).
Une approche physique du phénomène permet une estimation plus correcte de la taille des petits et des grands séismes. Elle se base sur l’existence lors de la rupture sur le plan de faille d’un couple de forces égales et opposées qui peut être utilisé dans la quantification de l’énergie libérée lors du séisme. Cette valeur, appelée moment sismique (Mo), est le produit d’une variable qui reflète la rhéologie du milieu où se produit la rupture, de la surface de la faille qui a rompu et du déplacement cosisimique.
Le moment sismique est mesuré à partir de séismographes capables d’enregistrer de très longues périodes. Ainsi l’échelle de magnitude, proposée par Hanks et Kanamori, basée sur le moment sismique (Mw) décrit probablement mieux la taille des grands séismes. L’avantage de cette approche est d’être aussi quantifiable à partir des données géologiques acquises par le géologue lors des interventions post-sismiques. Ces interventions, par une cartographie détaillée de la rupture de surface, permettent de caractériser en surface la quantité des déplacements et la longueur de rupture. Pour ces raisons, l’estimation du moment sismique pour la quantification de la taille d’un séisme tend actuellement à être universellement utilisée.


Les effets et les dégâts produits en surface : l’intensité du séisme
La notion d’intensité a été introduite pour évaluer les effets d’un séisme en s’appuyant sur une classification normalisée. Cette classification se base sur l’analyse des réactions humaines (II-VI) et du comportement des objets (III-V), sur les dégâts aux bâtiments en tenant compte de leur niveau de vulnérabilité (V-XI) et, en dernier recours, sur les modifications du milieu naturel (XII). En France et dans la plupart des pays européens, l’intensité est exprimée dans l’échelle MSK 1964 (du nom de ses auteurs : Medvedev, Sponheuer et Karnik) qui comporte 12 degrés, elle même actualisée dans l'échelle EMS 1998. Le descriptif succint des degrés de l’échelle MSK 1964 est le suivant :
  • I secousse non ressentie, mais enregistrée par les instruments
  • II secousse partiellement ressentie, notamment par des personnes au repos et aux étages
  • III secousse faiblement ressentie, balancement des objets suspendus
  • IV secousse largement ressentie dans et hors les habitations, tremblement des objets
  • V secousse forte, réveil des dormeurs, chute d’objets, parfois légères fissures dans les plâtres
  • VI légers dommages, parfois fissures dans les murs, frayeur de nombreuses personnes
  • VII dégâts, larges lézardes dans les murs de nombreuses habitations, chutes de cheminées
  • VIII dégâts massifs, les habitations les plus vulnérables sont détruites, presque toutes subissent des dégâts importants
  • IX destructions de nombreuses constructions, quelquefois de bonne qualité, chute de monuments et de colonnes
  • X destruction générale des constructions, même les moins vulnérables (non parasismiques)
  • XI catastrophe, toutes les constructions sont détruites (ponts, barrages, canalisations enterrées...)
  • XII changement de paysage, énormes crevasses dans le sol, vallées barrées, rivières déplacées...


Pour un séisme donné, la carte d’iso-intensité ou carte d’isoséistes, est utilisée pour localiser l'épicentre du séisme et/ou rechercher la faille source. Cette approche descriptive qui vise à évaluer l’ampleur d’un séisme, s’applique principalement aux séismes historiques pour lesquels on ne dispose pas des mesures (sismogrammes) nécessaires à la quantification de leur magnitude. Cette approche pose néanmoins quelques problèmes lorsqu'elle s'applique à des régions faiblement peuplées ou désertiques. Enfin, sous certaines conditions particulières (site situé sur un point haut ou sur un sol non consolidé…), les dommages d’un séisme peuvent être localement amplifiés conduisant à surestimer l’amplitude réelle du séisme. On parle dans ce cas d’effet de site.

Salon de Provence

Dégats d'intensité VII (échelle MSK 1964) à Salon de Provence (Bouches du Rhône) lors du séisme du 11 juin 1909 (source : Les Tremblements de Terre en France, 1997).

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Collision
La déformation actuelle du domaine euro-méditerrannéen résulte du lent mouvement de rapprochement entre l’Afrique et l’Eurasie à un taux ne dépassant guère 1 cm/an. La direction de convergence est partout N-S et la vitesse augmente régulièrement depuis le pôle de rotation à l’Est des Açores jusqu’en Turquie où elle atteint 1.7 cm/an. Le déplacement rapide vers l’est de l’Anatolie (Turquie occidentale) et de la région égéenne conduit à une convergence Anatolie/Afrique plus rapide au travers de la zone de subduction héllénique où elle atteint 4 cm/an.

Collision

Cinématique actuelle de la convergence en Méditéranée. Les directions et les taux indiqués (en mm/an) sont issus de DeMets et al. (1990) et de Le Pichon et al. (1993). AF : Afrique, ANA : Anatolie, EU : Europe (source Jolivet, 1995)



Cette convergence induit une sismicité distribuée depuis le nord de l’Afrique jusqu’au nord de l’Europe occidentale. Cette distribution de la sismicité sur un large domaine rend difficile la cartographie précise des limites de plaques.

Plaques

La sismicité de la zone de collision Afrique–Europe depuis le point triple des Açores jusqu’au Zagros (Jackson et McKenzie, 1988).

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Néotectonique
L’addition sur une même structure tectonique de plusieurs séismes ou bien d’une déformation plus continue asismique, peut conduire au développement d’une structure géologique qui peut induire des modifications de la topographie et de la sédimentation dont l’analyse permet de caractériser l’évolution et le comportement de la déformation sur de longues durées. Restreinte sur le Plio-Pléistocène (0-2 million d'années), cette analyse est l’objet de la néotectonique.

Cette discipline vise plus particulièrement à identifier les structures actives durant le Plio-Pléistocène (0-2 millions d'années), en vue de caractériser les modalités de la croissance et la chronologie de ces déformations récentes en les rattachant à leur contexte géodynamique plus global.

La néotectonique recourt à des méthodes d'investigations variées depuis des analyses structurales et microtectoniques de terrain jusqu’à l’analyse quantitative de la topographie et la prospection géophysique. Ainsi, en décrivant les modalités du développement de la déformation sur différentes gammes de temps et d’espace, la néotectonique permet de renseigner les divers mécanismes de la déformation qui prévalent pour chaque fenêtre de temps (du million d'années à la dizaine d’années) et d’espace (de la région à l’affleurement).
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Paléosismologie
La paléosismologie recherche et étudie les traces superficielles des séismes majeurs de façon à caractériser le comportement sismogénique de la faille source (cf l’introduction du site). Elle s’intéresse principalement :
  • aux traces directes du séisme liées au déplacement des deux blocs limités par la faille sismogène : ruptures de surface et déformations induites au voisinage immédiat de la faille (fig. 1);
  • aux traces secondaires du séisme induites à distance par les vibrations sismiques : figures de liquéfaction liées à la secousse… Ces figures de déformation sont appelées sismites (fig. 2). Leur interprétation reste délicate car des processus non tectoniques (par exemple climat, sédimentation…) permettent aussi leur développement. De toutes façons, leur observation ne permet pas de caractériser précisément la source sismique dont elles résultent.
Les études de paléosismicité visent à terme à accroître nos connaissances sur la sismicité de la France. En élargissant la fenêtre d’observation sur des durées qui couvrent plusieurs cycles sismiques, elles complétent plus particulièrement les catalogues de sismicité pour les forts séismes. Elles contribuent à l'étude de la potentialité sismique des failles en décrivant le comportement des failles sismogènes de la France.

Paléoséisme

Fig. 1 : décalage des sédiments pléistocène au droit de la faille normale de Bree en Belgique. Ce décalage qui atteste d’un jeu quaternaire de la faille, constitue une paléorupture de surface induite par un séisme ancien (source Camelbeeck et al., 1998).



Liquéfaction

Fig. 2 : figures de liquéfaction induites dans les sols par les secousses sismiques au voisinage de la faille de Bree en Belgique (source Vanneste et al., 1999).


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Cycle sismique
Un séisme est le résultat de la relaxation instantanée sur un segment de faille des contraintes accumulées au cours du temps. Cette relaxation se réalise par un déplacement relatif brutal des deux blocs rocheux limités par la faille. Pour une faille particulière, un segment de faille ou une région, la durée qui inclut un épisode d’accumulation des contraintes et un épisode de relaxation cosismique consécutif, correspond au cycle sismique.

Le comportement de la faille détermine cette cyclicité (voir figure). Si elle génère des séismes, la faille est dite sismogène. L’occurrence d’un séisme s’accompagne d’une redistribution des contraintes caractérisée par une relaxation des contraintes sur un segment de la faille et par une accumulation des contraintes à ses extrémités. Cet épisode correspond au choc principal du séisme, souvent le plus destructeur, et détermine la période cosismique du cycle sismique. Jusqu’à plusieurs semaines après le séisme principal, les contraintes continuent à se relaxer au travers de secousses secondaires (les répliques) et par fluage asismique. Cette phase caractérise la période post-sismique du cycle sismique. Au-delà de cette période post-sismique, les contraintes s’accumulent à nouveau sur le plan de faille jusqu’au prochain séisme. Cette phase détermine la période intersismique du cycle sismique pendant laquelle se développe une déformation élastique non permanente. La période intersismique, comprise entre deux séismes, correspond aussi au temps de récurrence.

Les failles qui ne présentent pas dans leur évolution de brusques périodes de relaxation des contraintes sont dites asismiques (voir figure). Elles se caractérisent par un lent déplacement plus ou moins continu au cours du temps, appelé fluage, qui ne permet pas d’importantes accumulations de contraintes sur les plans de faille. Ces failles ne génèrent pas au cours de leur développement de séismes destructeurs.

Cycle

Différents comportements théoriques de faille. Pour chaque comportement est illustré au cours du temps l’évolution de la charge tectonique (en haut) et du déplace-ment (en bas). L’explication est donnée dans le texte. (d’après Yeats et al., 1997)



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Faille
Une faille est une fracture des matériaux de l’écorce terrestre, fracture accompagnée d’un glissement l’un par rapport à l’autre des deux blocs qu’elle sépare.

Le plan sur lequel s’effectue ce glissement est appelé plan de faille. Il est décrit géométriquement dans l’espace par une direction correspondant à l’angle formé entre l’horizontale du plan et le nord géographique. L’inclinaison du plan de faille par rapport à l’horizontale est appelée pendage de la faille. Le mouvement relatif des deux blocs peut être matérialisé sur le plan de faille par des stries dont l’inclinaison par rapport à l’horizontale du plan est appelée pitch de la strie. L’amplitude du déplacement relatif des blocs est le rejet de la faille.

Les failles peuvent être classées à partir de la nature du glissement relatif des deux blocs. Un affaissement relatif du bloc supérieur caractérise une faille normale alors qu’un soulèvement du même bloc correspond à une faille inverse. Un déplacement des deux blocs sans composante verticale correspond à une faille décrochante. Le décrochement est senestre si, regardant la faille, le bloc opposé se déplace vers la gauche. Le décrochement est dextre dans l’autre cas. Le mouvement est le plus souvent composite (par exemple décrochement dextre normal, faille inverse à composante senestre…).

Le déplacement résulte de l’application sur le plan de faille de forces externes dont la résultante appliquée sur un élément de surface est appelée contrainte. L’origine de ces forces est multiple (tectonique, gravitaire…).

Faille décrochante
Faille inverse
Faille normale
La géométrie d’une faille


Organisation de la faille dans l’espace
L’organisation d’une faille dans l’espace est souvent complexe, en particulier pour les failles pluri kilomètriques. A l’échelle régionale, la plupart des failles sont constituées de différents plans élémentaires, appelés segments, aux relations étroites et dont la distribution détermine une structure géologique (voir figure). Un séisme correspond à l’activation d’un ou de plusieurs de ces segments.

Géometrie d'une faille

Comme souligné sur l’illustration, une faille d’échelle régionale n’est pas un plan rectiligne et continu. Elle est en fait constituée d’une succession de plans élémentaires appelés segments. Ici l’exemple de la faille sismogène de la Pleasant Valley aux Etats Unis (source Yeats et al., 1997).


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Aléa sismique
Pour un site ou une région, l'aléa sismique détermine le mouvement du sol attendu en un point donné suite à un séisme. On peut le caractériser par la probabilité d’occurrence d’une secousse sismique de caractéristiques prédéfinies, exprimées sous la forme de paramètres directement exploitables pour la conception parasismique d'un projet (par exemple intensité macrosismique, accélération, déplacement, spectre de réponse…). L'évaluation de cet aléa est réalisée à l’échelle régionale et locale. L’aspect réglementaire de l’aléa sismique pour la France est présenté par exemple sur le site www.prim.net


Evaluation de l'aléa sismique régional (échelle du 1/2 000 000 au 1/ 250 000)
L'évaluation de l'aléa sismique régional s’appuie sur :
  • une analyse sismotectonique pour identifier les sources sismiques proches ou lointaines pouvant affecter la région étudiée. Cette étude conduit à définir des unités sismotectoniques régionales constituées par des domaines sismotectoniques (par exemple le Jura), des systèmes de failles (par exemple le Cisaillement Sud Armoricain en Bretagne) et des failles (par exemple la faille de la Durance en Provence).
  • une caractérisation de l'activité des différentes sources sismiques et une estimation de leurs possibles effets. Pour cela une première démarche associe à la source sismique un séisme maximum aux caractéristiques définies par l’analyse sismotectonique (profondeur du foyer, intensité épicentrale, magnitude, mécanisme à la source...) et/ou le catalogue de sismicité (SMHV : séisme maximum historique vraissemblable). Une autre démarche évalue plutôt la probabilité d’occurrence future de séismes en s’appuyant sur une loi de distribution donnant la fréquence annuelle de séismes pour une magnitude ou intensité épicentrale donnée.

  • Plus particulièrement, au sein de l’analyse sismotectonique qui tend à caractériser le contexte géodynamique régional, l’analyse néotectonique cherche à mieux contraindre :
    les modalités de la déformation prévalant dans chaque unité (nature, amplitude…),
  • les relations entre sismicité et structures tectoniques (profondeur focale, séisme maximum probable, fréquence des secousses, mécanismes au foyer).
    L’analyse paléosismologique permet quant à elle de préciser le comportement sismogénique des failles actives en fournissant en particulier des informations sur le séisme maximum qu’elles sont susceptibles de générer (appelé séisme maximum probable) et sur le temps de retour de ces séismes majeurs. Par là, elle complète aussi le catalogue de la sismicité sur lequel s’appuient les sismologues pour établir les lois de distribution de la sismicité.


    Evaluation de l'aléa sismique local (échelle du 1/50 000 au 1/5 000)
    A l’échelle locale, l'évaluation de l'aléa sismique cherche à intégrer :
  • les perturbations locales du train d’ondes sismiques liées à une propagation dans des terrains superficiels non consolidés et/ou liées à la topographie du site. On parle ici d’effet de site.
  • les effets induits par le séisme en particulier sur la stabilité des pentes et sur le comportement des sols sous la secousse.
  • les éventuelles déformations cosismiques du sol lors de la propagation de la rupture sismique jusqu’en surface.

L’évaluation du risque sismique encouru par l’ouvrage prend en compte sa vulnérabilité. La législation française distingue les ouvrages à risque normal (habitat commun) des ouvrages dits à « risque spécial » (installations industrielles classées telles que celles de l’industrie chimique ou nucléaire). Le degré de protection des premiers face à une agression sismique est moindre.

Les études de microzonage pour les ouvrages à risque normal
La réglementation (Règles PS 92) préconnise de ne pas construire d’ouvrages à risque normal au voisinage des failles actives. Or, la prise en compte de ces failles dans un microzonage sismique (plan de prévention de risque sismique) nécessite :
  • une localisation précise de la faille à des échelles comprise entre le 1/5 000 et le 1/10 000.
  • une documentation pertinente sur l’activité quaternaire de la faille.
Comme souligné en introduction, la reconnaissance des failles « lentes » sismogènes pose en France un problème d’identification et d’appréhension de leur comportement. En particulier, le lien de ces failles avec la sismicité reste à préciser.


Les études de site réalisées pour les ouvrages à risque spécial
Par rapport aux ouvrages à risque normal, l'étude est ici focalisée sur la localisation précise des ruptures de surface potentielles et sur la caractérisation de la faille en s’attachant plus particulièrement à décrire sa géométrie, le type et le taux de la déformation, sa cinématique et à quantifier son séisme maximum probable.
Malgré la faible probabilité d’occurrence d’un séisme majeur sur le territoire métropolitain, l'évolution actuelle de la règlementation française tend à intégrer ces informations dans l’évaluation de l’aléa sismique qui concerne les ouvrages à risque spécial. Il accroit par là leur niveau de protection vis à vis de possibles ruptures de surface ou de secousses importantes.


En France si l’aléa sismique est faible, de par ses infrastructures industrielles, le risque est quant à lui assez fort.
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