Transcript • 1. Le séisme : rupture sur une faille • 2. Séismes: évaluation

24/09/2014
2014 UE Libre
Plan
Zoom
1/2
• 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
2. Séismes: évaluation, distribution temps-espace, lois
d’échelle
–
2B. Magnitude, intensité, correspondances entre failles actives et magnitudes
Magnitude : renseigne sur l’énergie libérée lors du séisme
Les différentes « échelles » (OUVERTES) de magnitude
• La magnitude locale ML (Richter): ML = logA + B
A (en mm) = amplitude maximale mesurée avec un sismographe Wood Anderson, B la correction de la distance –
définie en 1935
• La magnitude de surface Ms : utilisée pour les séismes lointains, dits téléséismes, à profondeur inférieure à
80 km. Elle se calcule à partir de l'amplitude des ondes de surface – définie en 1936
• 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 –
définie en 1956
• La magnitude de moment Mw (Kanamori) : définie en 1979 pour tous les séismes, notamment les « forts »:
Mw = 2/3*log( M0 ) - 6
Mo est le moment sismique (en N.m)
Remarque: toutes ces « échelles » convergent si les valeurs sont bien déterminées
1
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2. Séismes: évaluation, distribution temps-espace, lois
d’échelle
Magnitude
ILLUSTRATION:
Correspondance graphique
entre magnitude et distance
au foyer – Amplitude
maximum des ondes en
champ proche
EXEMPLE :ML
BILAN:
- « échelle » ouverte,
continue
- Avant: basée sur les
amplitudes (ou la durée): ML,
Ms, mb
- Aujourd’hui: magnitude de
moment sismique Mw,
dépendant de l’énergie
sismique libérée
Magnitude, intensité, correspondances entre failles actives et
magnitudes
–2B.
Magnitude: Passage d’un degré à l’autre…
Changement en
Magnitude
Changement en mouvement du
sol (Déplacement)
Changement en énergie
1.0
10 fois
~32 fois
0.5
3.2 fois
~5.5 fois
0.3
2 fois
~3 fois
0.1
1.3 fois
~1.4 fois
Compléments: Voir http://www.techno-science.net/
2
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–2B.
Magnitude, intensité, correspondances
entre failles actives et magnitudes
Intensité: effets constatés
- définie en un lieu par rapport aux effets
produits par ce séisme
- dépend donc du lieu d'observation,
contrairement à la magnitude!
- Echelle de Mercalli (1902), modifiée en 1956
- Echelle MSK créée en 1964, du nom des trois sismologues européens Medvedev,
Sponheuer et Karnik.
Extrait de Larroque et Virieux, 2001
Magnitude, intensité, correspondances entre failles actives et
magnitudes
–2B.
Energie des séismes -> paramètre prédominant : Surface de la Rupture et
donc … longueur de la faille réactivée
-> Correspondances entre failles actives et magnitudes:
Extrait de Larroque et Virieux, 2001
L
Mo = µ . S . D
en N.m
W
L = Longueur
W = Largeur
µ = Coefficient de
rigidité (N.m-2)
S = Surface de la faille
qui a subi la rupture =
LxW
D = Glissement sur la
faille
3
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–2B.
Magnitude, intensité, correspondances entre failles actives et magnitudes
Les lois d’échelle: espace (M-S)
2000
Sumatra 2004
3.0
Chile 1960
1000
Alaska 1964
2.5
?
Lisbon 1755
2.0
L
200
100
1.5
1.0
10
0.5
4.5
5.0
5.5
6.0 6.5 7.0 7.5 8.0
Moment magnitude
8.5
9.0
rupture length (km)
log (sub surface rupture length km)
Log(S)
9.5
2. Séismes: évaluation, distribution
temps-espace, lois d’échelle
Grands séismes, quand?
–
2C. Distribution dans le temps et l’espace: liens avec la
vitesse relative des plaques
Fréquence des séismes:
connu depuis quelques années à
quelques siècles, selon les
Nombre moyen de séismes dans le monde chaque année
magnitudes
Magnitude Ms >
8
7
6
5
4
3
Nombre au-dessus de la magnitude Ms
1à2
20
100
1500
7500
plus de 100 000
4
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Distribution dans le temps et l’espace: liens avec la vitesse relative
des plaques
–2C.
Etude de la distribution temporelle des séismes
Voir Partie 2A
http://www.esc2010.eu/Images/archaeoseismology.pdf
http://www.emsc-csem.org/News/esc2010/?k=1&item=10
Grands séismes, quand?
Sismicité historique
- Information importante pour la réduction
du risque sismique
- Avantage: élargit la connaissance des cycles
sismiques d’une région donnée
- Inconvénients: imprécisions de localisation,
magnitude, complexité de la rupture -> usage
délicat…
-> Avec la sismicité instrumentale: à la base
des cartes de zonage macrosismique
(sismotectonique)
- Périodes historiques couvertes: de
quelques centaines d’années à quelques
milliers d’années, selon l’ancienneté des
civilisations et le transfert des savoirs
1ère carte de sismicité historique des
Alpes (Rothé, 1941)
5
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Grands séismes, quand?
Sismicité historique
Remarque:
Hétérogénéité des catalogues,
fonction de la densité de
population, de la qualité de la
mémoire écrite, de l’histoire des
conquêtes
Sismicité historique des Alpes
(Fréchet & Thouvenot, 1995)
- Plus la période est ancienne, plus la fiabilité est incertaine
-> Evaluation de la sismicité historique = un travail de spécialiste
- Caractère aléatoire des témoignages
- Variabilité des mouvements du sol (effets de site, effets topographiques)
- Contextes sociologique, politique, démographique, religieux
Grands séismes, quand?
Distribution dans le temps et l’espace: liens
avec la vitesse relative des plaques
–2C.
Recul dans le temps: paléosismologie
O. Bellier, CEREGE
6
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Grands séismes, quand?
Distribution dans le temps et l’espace: liens
avec la vitesse relative des plaques
–2C.
La paléosismologie : un
travail de « terrassier »
Tranchées à travers la
trace de faille
Les niveaux successifs au contact de la faille = histoire sismique
O. Bellier, CEREGE
Grands séismes, quand?
Distribution dans le temps et l’espace: liens
avec la vitesse relative des plaques
–2C.
Exemple:
Faille de San Andreas, Californie
Glissement cumulatif sur le site de Wrightwood (Weldon, 2004)
7
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Grands séismes, où?
Distribution dans le temps et l’espace: liens
avec la vitesse relative des plaques
–2C.
- La plupart aux limites des plaques
- Séismes superficiels -> effets dévastateurs sur constructions
- Mais peu de séismes
permettent une observation
directe de la rupture…
Grands séismes, où?
–2C. Distribution dans le temps et l’espace: liens avec la
vitesse relative des plaques
Grandes et petites plaques
1 PACIFIQUE
2 EURASIE
3 AFRIQUE
4 ANTARCTIQUE
5 INDE-AUSTRALIE
6 AMERIQUE DU NORD
7 AMERIQUE DU SUD
8 NAZCA
9 PHILIPPINE
- 2 postulats: Plaques rigides – Frontières étroites
- Plaques souvent « mixtes »
- Zones en déformation: souvent plus larges!
10 ARABIE
11 COCOS
12 CARAIBE
8
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Grands séismes, où?
–2C.
Distribution dans le temps et l’espace: liens avec la
vitesse relative des plaques
Les séismes de subduction
Accumulation de
contraintes au cours
des temps
géologiques,
dépendant de la
vitesse interplaque et
des propriétés de
résistance des roches
90% de la sismicité mondiale est produite dans les zones de
subduction
Principes de déplacement inter- et co-sismiques
aux subductions
9
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–2C. Distribution dans le temps et l’espace: liens avec
la vitesse relative des plaques
Déplacements des plaques: mesures “géologiques”
comparées aux mesures géodésiques
12
160
110
20
⇒ Mouvement stable des grandes plaques à l’échelle de 3Ma
⇒ De quelques fractions de mm/an à plus de 15 cm/an !
–2C.
Distribution dans le temps et l’espace: liens avec
la vitesse relative des plaques
Les séismes de subduction
V rapide -> plus fréquents! (cycles courts)
10
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–2C.
Distribution dans le temps et l’espace: liens avec
la vitesse relative des plaques
Séismes de
magnitude
Mw>8.5 de Les séismes de subduction
1900 à 2004
Récurrence moyenne des
séismes autour du Pacifique:
~120 ans: contrôlé à long terme
par la vitesse de subduction (~8
cm/an)
1. Chili 05/22/1960 - Mw 9.5
2. Alaska 03/28/1964 - Mw 9.2
3. Russie 11/04/1952 - Mw 9.1
4 . Sumatra 26/12/2004 Mw 9.0
5. Alaska 03/09/1957 - Mw 8.8
6. Equateur 01/31/1906 - Mw 8.8
7. Iles Kuriles 11/06/1958 - Mw 8.7
8. Inde 08/15/1950 - Mw 8.7
9. Alaska 02/04/1965 - Mw 8.6
10. Indonésie 02/01/1938 - Mw 8.5
V rapide -> plus fréquents! (cycles courts)
3. La protection contre le risque sismique
A. Notions d’aléa et de vulnérabilité
Recherche fondamentale
Alerte (BCSF, Strasbourg)
Génie civil, études
AFPS, CETE, BRGM…
Risque sismique
Aléa sismique
Vulnérabilité sismique
Amplitude, durée et fréquence du
mouvement du sol (y compris effets
topographiques, d’amplification)
Calcul des magnitudes
Effets des mouvements du sol
sur les vies, les constructions
humaines et l’environnement
Calcul des intensités
« Taille » du séisme
Calcul d’un spectre de réponse
Effets ressentis et
produits en surface
Définition de normes parasismiques
Zonage et microzonage sismique
11
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–3A.
Notions d’aléa et de vulnérabilité
Aléa
Effets de site:
notions de base
TOPOGRAPHIQUES
Vallées, sommets
D’AMPLIFICATION
(du sous-sol)
EFFETS INDUITS
Nigata, Japon
23/10/04 M 6.5
-Liquéfaction
-Glissements de
terrain
-Chutes de blocs
-Tarissement ou
jaillissement d’eau
Structure et état
du sous-sol
Modèle de propagation sous Mexico
Effets topographiques évalués sur la
côte de Nice pour un séisme en mer
–3A.
Vulnérabilité
Notions d’aléa et de vulnérabilité
Notion d’accélération maximale
Le pic d’accélération (PGA :Peak Ground Acceleration) : maximum en amplitude
du signal enregistré à une station sismique
Important pour le calcul de la réponse des structures à un séisme…
Paramètre de référence pour ingénieurs du génie parasismique
12
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–3A.
Notions d’aléa et de vulnérabilité
Quelques chiffres
11 000 à 20 000 morts par an en moyenne
Séisme,
Année
Victimes Remarques
magnitude
Accompagné
Lisbonne
1755
60 000
d’un tsunami –
Epicentre et
magnitude?
7à8?
Spitak
1988
25 000
Constructions
inadéquates
6.9
Kobé
7.2
1995
6000
Dégâts: 15
milliards €
1909
40
Aujourd’hui: 4001000 morts, 1
milliard €
Lambesc
6.4
3B. Prévision des tremblements de terre: la prédiction court,
moyen, long terme par l’analyse des cycles et par la
modélisation
1. « Cycle » sismique : modèle théorique (dans un monde idéal…)
Résistance des failles
- Temps de retour: quelques
dizaines à quelques milliers
d’années
- Cycle: régulier? NON
Temps de retour
- Magnitude: identique? NON
- Variations: vitesse, état du
plan de rupture (friction,
Temps de retour
contrainte), dimensions des
zones de rupture
-> CE MODELE de SEISME CARACTERISTIQUE ne
fonctionne pas : trop simple
-> Transformation difficile en modèle prédictif
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3B. Prévision des tremblements de terre: la prédiction court,
moyen, long terme par l’analyse des cycles et par la
modélisation
2. « Cycle » sismique : modèles +/- empiriques
Deux grands modèles actuels
(en amas)
<
> 1 cm/an
Frequency of Earthquakes
Most attempts to predict the frequency of earthquakes
rely on the assumption that the forces creating earthquakes
Zones de Subduction
are constant and long-lived.
Vitesses
rapides:
quelques
cm/an
[i.e. the slow but inexorable
movement
of the
plates]
Domaines continentaux
Vitesses lentes: quelques mm/an
EXAMPLE:
San Francisco 1906 (Reid)
Movement over 50 years
= 10 feet
(prior to the earthquake)
Therefore, years/foot movement
= 5 years
Movement during earthquake
= 20 feet
Predicted Frequency (20 x 5)
= 100 years
CONCLUSION: There might be an earthquake on
this part of the San Andreas fault every 100 years or so.
3B. Prévision des tremblements de terre: la prédiction
court, moyen, long terme par l’analyse des cycles et par la
modélisation
3. « Cycle » sismique :
Parkfield
exemples
Parkfield is located on a 15 mile segment of the San
Andreas fault.
Small earthquakes
– 5.6) have
- Exemple
1 (CT):(5.5
Chine:
OUI
occurred here regularly, almost every 22 years.
2000
(Haicheng 1975), NON (Tangshan 1976, > 300 000 morts)
- Exemple 2 Parkfield (San Andreas): Probabilité élevée d’un
séisme -> attendu depuis les années 1980…
(MT):
1800
As a consequence of this regularity it has been under intense scrutiny
by the U.S. Geological Survey.
- Court terme (< 1mois):
Précurseurs
- Microséismes
- Déformations lentes
- δ niveau d’eau
- δ radon
- δ champ électromagnétique…
- Moyen terme (< 20 ans):
Approches statistiques
4
19 octobre 1989, Mw 7.1
14
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From King et al (BSSA, 1994)
1992 M=7.3 Landers shock
increases stress
at Big Bear
Landers
Big
Bear
Los
Angeles
First 3 hr of
Landers
aftershocks
plotted
from Stein
(Nature, 2003)
15
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1992 M=7.3 Landers shock
promotes the M=6.5 Big
Bear shock 3 hr later
Landers
Big
Bear
Los
Angeles
First 3 hr of
Landers
aftershocks
plotted
from Stein
(Nature, 2003)
…and promotes the
M=7.1 Hector Mine
shock 7 yr later
Hector Mine
Los
Angeles
First 7 yr of
aftershocks
plotted
from Stein
(Nature, 2003)
16
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4. Modélisation
3B. Prévision des tremblements de terre: la prédiction
court, moyen, long terme par l’analyse des cycles et
par la modélisation
Application: Modélisation de l’effet des ruptures successives du
XXème siècle et du mouvement des plaques autour d’Istanbul
La valeur (ou la couleur) indique si la faille est
proche de la rupture (en rouge) ou pas (en bleu).
A: AVANT LES 2 SEISMES DE 1999
B: APRES LES 2 SEISMES DE 1999
Malheureusement, on ne dispose pas d’une
prédiction temporelle précise
Hubert-Ferrari et al., 2000
3. La protection contre le risque sismique
Les effets des séismes : Effets de site
(accélérations)
- Nature géologique (Roche/sédiment)
–
3C. Prévision du mouvement du sol: la prévention
- Relief (Cuvette/falaise)
- contenu en eau, granulométrie, compaction
Relief
LIQUEFACTION: Augmentation de la pression interstitielle dans les sols sableux
saturés - diminution résistance au cisaillement - rupture de la cohésion
Ex.: Mexico 1985
Liquéfaction
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3. La protection contre le risque sismique
–
3C. Prévision du mouvement du sol: la prévention
Exemple: Spectre de réponse à un séisme donné en Californie
- Besoin de multiples observations par petits séismes
–
Exemple d’effet de site:
3C. Prévision du mouvement du sol: la prévention
Kobé (Japon): 17 janvier 1995, Mw 7.2
Constructions avant Kobé: prévues pour résister à 0.4 g
18
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3. La protection contre le risque sismique
–
3D. Génie parasismique
AFPS:
http://www.afps-seisme.org/FR
Association régie par la loi du 1er juillet 1901, fondée en 1983
Objet de l'association : étude des tremblements de terre, de leurs conséquences sur le
sol, sur les constructions et sur leur environnement, et la recherche et la promotion de
toutes mesures tendant à minimiser ces conséquences et à protéger les vies humaines.
En 2000, l'AFPS compte plus de 500 membres individuels et 50 membres collectifs.
http://www.prim.net/citoyen/definition_risque_majeur/zonage_sismique_france/home.htm
3. La protection contre le risque sismique
–
3D. Génie parasismique
Textes réglementaires applicables
• Protection parasismique:
- pour constructions neuves
- exigence formalisée par l’Etat,
- Application de règles spécifiques
pour ces constructions
19
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3. La protection contre le risque sismique
Textes réglementaires applicables
–
3D. Génie parasismique
Le territoire français est découpé en 5 zones de sismicité croissante
= Zonage sismique national
Depuis 2009:
Extension du nombre de communes concernées
(1991)
•zone 0: simicité négligeable
•zone I a: sismicité très faible mais non négligeable
•zone I b: sismicité faible
•zone II: sismicité moyenne
•zone III: sismicité forte
Division au niveau cantonal en 5 zones de
sismicité croissante en fonction de la
probabilité d’occurrence des séismes :
• zone de sismicité 0 où il n’y a pas
de prescription parasismique
particulière (la probabilité
d’occurrence d’un séisme y est
négligeable, voire nulle),
• 4 zones Ia, Ib, II et III, où les règles
de construction parasismique sont
applicables.
http://www.planseisme.fr/
Situation en France
20
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Cadre d’application des règles parasismiques
- Objectif principal de la réglementation : sauvegarde du maximum de vies
humaines pour une secousse dont le niveau d’agression est fixé pour chaque
zone de sismicité.
- La construction peut alors subir des dommages irréparables, mais elle ne doit
pas s’effondrer sur ses occupants.
- En cas de secousse plus modérée, l’application des dispositions définies dans
les règles parasismiques permet de limiter les destructions et, ainsi, les pertes
économiques
->Le zonage répond donc à un objectif de protection parasismique dans des
limites économiques supportables pour la société.
Cadre d’application des règles parasismiques
(suite)
- La réglementation parasismique n’intervient pas sur les aménagements
intérieurs susceptibles d’atténuer le danger.
- Les règles parasismiques ne sont applicables que lors de la construction de
bâti nouveau de type B, C ou D (arrêté du 16 juillet 1992) ou lorsque le bâti
ancien fait l’objet de modifications importantes (arrêté du 29 mai 1997).
-Ces règles concernent les bâtiments situés en zone de sismicité Ia, Ib, II ou III.
Les installations de type nucléaire, barrages, ponts, industries SEVESO font
l’objet d’une réglementation parasismique particulière.
L’article 3 de l’arrêté du 29 mai 1997 précise les types de modification qui
imposent des règles aux bâtiments existant modifiés.
Voir cas concret: leséismede1909: http://www.provence2009.org/download/Provence2009_report.pdf
21
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–
CONCLUSION 1:
-> Aléa: Probabilité d’occurrence d’un mouvement du sol donné: pas de prédiction fiable!
-> Vulnérabilité: effets induits sur les vies et constructions: difficulté d’établir des normes!
Spitak, Arménie, 1988
Kobé, Japon, 1995
PROBLEMES:
-> 1. Adéquation des normes (quand elles
existent!): aléa? Effets de site?
-> 2. Application correcte des normes
existantes aux constructions neuves?
-> 3. Problème des constructions antérieures
Izmit, Turquie, 1999
3. La protection contre le risque sismique
•Sismicité historique en France :
Liens
–
3D. Génie parasismique
Séisme de Lambesc: rapport du colloque de 2009: http://www.seisme-1909-provence.fr/Congres-scientifique.html
Site pour les séismes historiques en Ligurie: http://www.azurseisme.com/
Rapport sur le séisme de Hennebont et les enquêts macrosismiques en France: http://www.franceseisme.fr/
Film sur le séisme Ligure: http://www.dailymotion.com/video/xfnkax_le-seisme-de-ligure-1887_tech
•Associations
•Association Européenne du Génie Parasismique (EAEE): http://www.ins.itu.edu.tr/eaee/eaee.htm
•Association Internationnale du Génie Parasismique (IAEE): http://www.iaee.or.jp/
•Association Française de Génie Civil (AFGC): http://www.afgc.asso.fr
• Centre d’études ou/et de recherches
•Earthquake Engineering Research Institue (EERI), USA: http://www.eeri.org/
•Earthquake Engineering Research Center (EERC), Bristol University, Royaume Uni
http://www.cen.bris.ac.uk/civil/research/eerc/index.html
•Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER), Berkeley University, CA, USA:
http://peer.berkeley.edu/
•Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research (MCEER), Buffalo, NY, USA:
http://mceer.buffalo.edu/
•National Earthquake Information Center (NEIC): http://neic.usgs.gov/
•Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS) : http://www.iris.washington.edu/
•The Consortium of Universities for Research in Earthquake Engineering (CUREE), USA:
http://www.curee.org/
•The Building Seismic Safety Council (BSSC), USA: http://www.bssconline.org/index.html
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