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SISMOLOGIE

APPLIQUEE (1)

Éléments de sismologie appliquée- à la construction- à la politique de construction et d’urbanisme- à la politique de réduction du risque sismique

Patricia BALANDIER pour DDE de la Martinique -

SECQUIP

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SISMOLOGIE: ETUDE DES SEISMES

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SEISME NICOIS DE 1564

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OBJECTIFS DE LA SISMOLOGIE APPLIQUEE

A LA CONSTRUCTION

� Connaissance des phénomènes sismiques pouvant concerner le site à construire.

� Connaissance du comportement prévisible du site sous l’effet des séismes régionaux possibles, proches ou lointains, selon leur Magnitude

� Connaissance de la réponse potentielle des bâtiments aux mouvements prévisibles du sol

� Estimation de l’aléa sismique– Aléa régional (identification des séismes pouvant

concerner le site)– Aléa local (identification de la réaction possible du site)

� Traduction réglementaire des connaissances

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LES DONNEES DE SISMOLOGIE POUR

L’ARCHITECTE ET L’INGENIEUR

� Le phénomène sismique� Les types de séismes, phénomènes tectoniques� Le mouvement sismique� La propagation des ondes sismiques� Les moyens d’identification de l’aléa régional� L’aléa régional� L’aléa local� Les notions d’aléa, vulnérabilité et risque� La traduction réglementaire : arbitrages

politiques

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1 - LE PHENOMENE SISMIQUE

� Contrainte, déformation, rupture� Mécanismes de failles� Cycle sismique � Caractéristiques de la source sismique� Magnitude d’un séisme

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INTRODUCTION� Les plaques continentales et océaniques qui constituent

la croûte terrestre se déplacent à la surface de la planète sous l’effet des courants thermiques qui animent le magma visqueux situé en profondeur. Ce phénomène est étudié sous le nom de « Tectonique des plaques ».

� Les déplacements relatifs de ces plaques entraînent des « accumulations de contraintes » à l’intérieur des roches qui les constituent (traction, compression, cisaillement…) Au delà d’un certain seuil de contrainte il y a rupture du sous-sol rocheux: séisme. Ces ruptures se produisent essentiellement dans les zones situées àproximité des limites entre les plaques, là où les tensions sont les plus élevées.

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COURBE CONTRAINTE/DEFORMATION

DES ROCHES (exemple)Le séisme est la conséquence de la rupture fragile de la roche au delà du seuil de contrainte admissible.On distingue la déformation élastique, potentiellement réversible de la déformation plastique (rupture ductile) qui est irréversible. On ne peut contrôler l’occurrence de la rupture fragile (séisme). On ne peut en réduire l’importance.

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DEFORMATION

PLASTIQUE DES

ROCHES

� Dans certains cas, les roches peuvent se déformer sans amorcer de rupture fragile :– Déplacement

tectonique lent,– Température et

pression interne élevée,

sont des facteurs de plasticité.

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DEFORMATION

CASSANTE DES ROCHES

� Lorsque les conditions (niveau de contraintes, vitesse de déformation, température / pression) sont réunies, une rupture fragile de la roche peut survenir selon un « plan de faille ». Le point d’amorce de la rupture est le foyer du séisme.

� La propagation de la rupture sur le plan de faille provoque des déformations tectoniques (cassantes).

� La propagation du mouvement vibratoire (tridirectionnel) depuis le foyer provoque des déformations du sol temporaires (ondes) et éventuellement définitives (effets induits)

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MECANISMES DE FAILLES

� Faille normale

� Faille en décrochement

� Faille inverse

� Décrochement « dextre » si, face à la faille, le déplacement se fait vers la droite (illustration), et « senestre » dans le cas contraire.

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Faille normale

13

Faille en décrochement

14

Faille normale avec

décrochement

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LA FAILLE DE SAN

ANDREAS:

UN

DECROCHEMENT

DE PLUSIEURS

CENTAINES DE

KILOMETRES DE

LONG

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LE CYCLE SISMIQUE

� GENESE D’UN SEISME SUR UNE FAILLE SISMOGENE, processus en trois étapes:– Accumulation de contraintes.– Déclenchement de la rupture au delà du seuil de

résistance des roches.– Arrêt de la rupture sismique (quelques secondes

plus tard).

� CYCLE SISMIQUE D’UNE FAILLE SISMOGENE: succession de périodes d’accumulation de contrainte et de ruptures brutales sur la faille.

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CYCLE SISMIQUE:

ACCUMULATIONS ET CHUTES DE

CONTRAINTE A REPETITION

� 1 – Situation au début d’une phase du cycle� 2 – Déformation peu de temps avant le séisme� 3 – Situation après le séisme

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LE SEISME: LIBERATION D’ENERGIE

� Phénomène: la chute de contrainte provoquée par la rupture brutale de la roche sur le plan de faille libère de l’énergie, sous forme de chaleur et d’émission d’ondes élastiques.

� Plus la surface de rupture et le déplacement sont importants, plus la quantité d’énergie libérée l’est.

� La Magnitude représente la quantité d’énergie libérée par le séisme.

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PROPAGATION DES ONDES SISMIQUES

A PARTIR DU FOYER

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PARAMETRES DE LA SOURCE

� Foyer ou hypocentre: Point de déclenchement de la rupture

� Azimut de la faille: Angle compris entre l’axe du méridien et celui de la faille (orientation de la faille)

� Pendage de la faille: Inclinaison de la faille

� Déplacement: Longueur du glissement de la roche de part et d’autre du plan de faille

� Surface: Surface du plan de faille concernée par la rupture(Longueur x hauteur)

� Magnitude: mesure de l’énergie libérée, dépend du moment sismique, donc de la surface et du déplacement.

� Vitesse de rupture: Vitesse de propagation de la rupture dans la roche, dépend du type de roche

� Chute de contraintes: Différence entre l’état de contraintes dans la roche avant et après le séisme (Pa).

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MECANISME AU FOYER

� La polarité des ondes enregistrées sur les différentes stations permet de déterminer le mécanisme au foyer du

séisme.

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LOI D’ECHELLE

� La « Loi d’Échelle » issue de l’observation de nombreux séismes établit une corrélation entre la longueur de la rupture et le moment du séisme.

� Le moment du séisme, couple de forces qui a provoqué le déplacement de part et d’autre du plan de faille, dépend de la rigidité du milieu, de la longueur du déplacement moyen et de l’importance de la surface de rupture.

� La loi d’Échelle permet une évaluation de la magnitude du séisme maximum plausible à partir de l’estimation de la longueur maximum possible de la rupture sur la faille sismogène.

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RELATION OBSERVEE ENTRE LA DIMENSION

DE LA SOURCE ET LE MOMENT DU SEISME

� Le moment du séisme est déterminé par des études sismiques� La longueur de la rupture par des études géologiques et la

distribution des répliques

LONGUEUR MOMENT TYPE DE SEISME- 1 000 km 1024 Nm Les plus forts connus- 23 mai 1960: Chili- 28 mars 1964 Alaska- 100 km 1021 Nm Magnitude 8: nombreux dégâts - et victimes- 10 km 1018 Nm Magnitude 6: dégâts localisés- 1 km 1015 Nm Magnitude 4: ressentis localement- 0,1 km 1012 Nm Microséisme imperceptible

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LOI D’ECHELLE: EXEMPLE D’APPROCHE DE

L’ALEA PAR LA SIMILITUDE DES FAILLES

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MAGNITUDE D’UN SEISME

� La Magnitude est une grandeur logarithmique représentative de l’énergie rayonnée par la source sous forme d’ondes élastiques.

� Il existe plusieurs méthodes différentes de calcul de la magnitude d’un séisme.

� Elle est calculée soit à partir de l’amplitude des mouvements enregistrés (Ml, Ms, mb, Mw), soit àpartir de leur durée (Md)

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DIFFERENTES ESTIMATIONS DE LA

MAGNITUDE

� ML = Magnitude locale (définie par Richter)– ML = log Amax(∆) - log Ao(∆)

� MS = Magnitude de surface (ondes R)– MS = log Amax/T) + 1,66 log∆ + 3,3(25°<∆<90°; h<80km, T environ 20s)

� mb = Magnitude de volume (séismes profonds, ondes P)– mb = log (Amax/T) + Q(∆,h)

� MD = Magnitude de durée (séismes faibles et proches)– MD = a + b log t + c log t2 + d∆

� Mw = Magnitude de moment (ou de Kanamori)(la plus fiable pour les séismes violents)– Mw = (2/3) log Mo – 6,0 (Mo en N.m)

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MAGNITUDE DE MOMENT� Mw est la seule estimation de l’énergie

libérée par le séisme valable au delà de 7.5. Au delà de cette magnitude les autres types de mesure « saturent » et ne sont pas représentatifs.

BILAN ENERGETIQUE

� Énergie libérée = ∆E = Ep1 – Ep2 = W + HW = énergie rayonnéeH = chaleur

� Rendement sismique = W/∆E (soit quelques %)

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VALIDITE DES DIFFERENTES MESURES

DE LA MAGNITUDE� En pointillés la

magnitude de moment. Les autres courbes indiquent les résultats obtenus par les autres méthodes de calcul et mettent en évidence la saturation au delàde 7,5, et les erreurs d’appréciation qui en découlent.

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Relation entre la magnitude du

séisme et la longueur

de rupture

M=6

M=5

M=4M=7

M=8

Faille

Profondeur (km)

0

15

30

31

MAGNITUDE"échelle" ouverte de Richter (1935)

………….0 1 2 3 4 5 6 7 8 9….…………..

MARTINIQUE 1999

PROVENCE 1909

SPITAK 1988

MARTINIQUE 1839 - GUADELOUPE 1843

CHILI 1960QUAND ON PASSE D ’UN DEGRE A L ’AUTRE,

ON MULTIPLIE L ’ENERGIE PAR 31.6,

SOIT 1000 POUR 2 DEGRES

X 1000

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CARACTERISTIQUES MOYENNES

DE LA RUPTURE DE LA FAILLE

MAGNITUDE

NBRE MOYEN

SEISMES ANNUEL

LONGUEUR CARACTERISTIQUE

DE LA RUPTURE

DEPLACEMENT SUR LE PLAN DE RUPTURE

DUREE DE LA

RUPTUREENERGIE LIBEREE

9 800KM 8 m 250 s E x 40 000 0008 1 250KM 5 m 85 s E x 1 200 0007 18 50KM 1 m 15 s E x 35 0006 125 10KM 20 cm 3 s E x 10005 1500 3KM 5 cm 1 s E x 334 5000 1KM 2 cm 0,3 s E

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RELATION

MAGNITUDE

/ENERGIE

LIBEREE

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2 - LES TYPES DE SEISMES,

PHENOMENES TECTONIQUES� Types de séismes

Les catastrophes sont dus aux séismes tectoniques, de loin les plus violents.

� La structure de la planète� La tectonique des plaques

Mécanisme au

foyer Séismes naturels Séismes artificiels

Jeu d'une faille

Séismes tectoniques: rupture soudaine des roches

Séismes induits par l'activité humaine: mise en eau d'un grand barrage, exploitation de gaz…

Explosion

Séismes volcaniques: fracturation des roches due à l'intrusion de magma, dégazage, oscillation propre du réservoir

Tirs d'exploration sismique, tirs de mines et carrières, essais nucléaires souterrains

Implosion

Séismes d'effondrement: effondrement de cavités dans le gypse ou le calcaire, effondrement lié à un grand glissement de terrain Effondrement d'anciennes mines

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SISMICITE DU GLOBE

36

SISMICITE DU GLOBE ET LIMITES

TECTONIQUES

37

SISMICITE DU GLOBE ET LIMITES

TECTONIQUES

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GLOBE TERRESTRE COUPE

(1)

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GLOBE TERRESTRE COUPE (2)� La lithosphère,

couche solide qui comprend une partie du manteau supérieur et la croûte terrestre, se déplace sous l’effet des courants de convection qui animent l’asthénosphère, couche plastique du manteau supérieur.

� La croûte océanique, formée de roches basaltiques, est plus dense que la croûte continentale formée de roches granitiques et intermédiaires.

40

GLOBE TERRESTRE COUPE (3)

41

GLOBE TERRESTRE, STRUCTURE

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GLOBE TERRESTRE COUPE

(Composition et températures)

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DERIVE DES CONTINENTS,

POSITION ACTUELLE

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Alfred Lothar

WEGENER

� « Inventeur »de la théorie de la dérive des continents

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DERIVE DES CONTINENTS,

LA PANGEE DE WEGENER

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DERIVE DES CONTINENTS:

CORRELATIONS BIOLOGIQUES

47

DERIVE DES CONTINENTS:

CORRELATIONS BIOLOGIQUES

48

DERIVE DES CONTINENTS

OBSERVATIONS GEOLOGIQUES (1)

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DERIVE DES CONTINENTS

OBSERVATIONS GEOLOGIQUES (2)

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PROPOSITION DE TECTONIQUE

AU XIX° SIECLE

51

PROPOSITION

DE

TECTONIQUE

DES PLAQUES

AU XX° SIECLE

52

Plaques tectoniques

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OU SE PRODUISENT LES SEISMES?

� Zones divergentes– Rifts continentaux– Dorsales médio-océaniques

� Zones transformantes– Failles en décrochement

� Zones convergentes– Subduction de plaque océanique– Collision entre plaques continentales

� Zones intraplaques– Autres formes d’accumulation de contraintes

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TYPES DE LIMITES DE PLAQUES

55

PRINCIPAUX TYPES DE LIMITES

DE PLAQUES

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FRONTIERE DIVERGENTE:

LE RIFT CONTINENTAL (1)

� Sous l’effet des courants de convection de l’asthénosphère, une élévation localisée de la température se produit et provoque

dilatation, rupture de la croûte et émission de magma.

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FRONTIERE DIVERGENTE:

LE RIFT CONTINENTAL (2)

� L’éloignement des deux plaques (en cours de séparation) de part et d’autre de la limite divergente provoque un étirement de la lithosphère et des effondrements en « escalier » de la croûte continentale. Ce phénomène crée une vallée d’origine tectonique: un rift continental (ex: Rift est-africain).

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FRONTIERE DIVERGENTE:

LA DORSALE OCEANIQUE

� Il devient une mer (ex: Mer Rouge), puis un océan (ex: Atlantique) alors que les continents s’éloignent au fur et à mesure avec la production de croûte océanique (Effet de « tapis roulant »).

� Par effondrements successifs (séismes de failles normales) le rift s’enfonce. Il finit par être envahi par l’eau marine.

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TECTONIQUE DORSALE OCEANIQUE:

DETAIL

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CYCLE DES FONDS OCEANIQUES (Exemple)

� Aux Antilles, la subduction de la plaque Atlantique sous la plaque Caraïbe génère les phénomènes sismiques et volcaniques. Les séismes de subduction peuvent être extrêmement violents, c’est pourquoi la Guadeloupe et la Martinique sont considérées comme ayant l’aléa sismique le plus élevé par la réglementation française qui a classé ces deux départements en « zone sismique III ».

61

Cycle des fonds océaniques

62

Cartographie topographique de la

dorsale médio-océanique Atlantique

63

Datation des fonds océaniques par les

inversions de polarité magnétique

64

Polarité des fonds océaniques

65

LA MER ROUGE: UN FUTUR OCEAN

ENTRE L’EST AFRICAIN ET L’ARABIE

66

Jet d’eau chaude à proximité d’un rift

67

Dorsales océaniques

68

POINTS

CHAUDS

� Le déplacement d’une plaque océanique au dessus d’un « point chaud » est àl’origine de chaînes volcaniques isolées.

� Le phénomène des points chauds est moins bien connu que celui des courants de convection tectoniques.

69

L’Islande,

un point

chaud

traversé par

la dorsale

médio-

océanique

Atlantique

70

FRONTIERE CONVERGENTE:

LA SUBDUCTION (1)

� La croûte la plus dense s’enfonce sous la plus légère.� Des séismes se produisent dans les zones contraintes des

deux croûtes.

71

FRONTIERE CONVERGENTE: LA

SUBDUCTION (2)

� Peu à peu les sédiments forment un « prisme d’accrétion » qui se déforme sous l’effet des contraintes entre les deux plaques. Des séismes superficiels sont alors également générés dans le prisme d’accrétion.

72

FRONTIERE

CONVERGENTE:

SCHEMAS DE

SUBDUCTION

73

0

100

200

300

profondeur(km)

0 100 200 km

Zone deconcentrationdes foyerspeu profonds

Zone deconcentrationdes foyersprofonds

PLAQUE CARAIBE

Arc insulaire Prisme d'accretion fosse océanique

PLAQUE AMERIQUE

A

E

D

C

A :

B :

C :

D, E :

Sources intraplaques caraïbe en faille normale

Sources intraplaques caraïbe intermédiaire

Sources interplaques, plan de subduction

Sources intraplaques Amérique subductée

B

Profondeur (en km)

0

-160

-120

-80

-40

0

40 80 120 160 200 240 280-200

Coupe n°11Martinique

Séisme du 8/06/1999

-61.43°;14.63° -58.80

Sources sismiques de l ’arc des Petites Antilles

SUBDUCTION ANTILLAISE

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SUBDUCTION NORD-AMERICAINE

� Représentation schématique des phénomènes sismiques inhérents à la zone de subduction.

75

LE VOLCANISME, UN EFFET INDUIT DE

LA SUBDUCTION – LA MONTAGNE PELEE

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FRONTIERE CONVERGENTE: FIN DE SUBDUCTION, DEBUT DE SURRECTION

� L’augmentation des contraintes dans le prisme d’accrétion sédimentaire, moins dense que la croûte, provoque sa surrection (création de massifs montagneux).

� Le mécanisme de subduction se « bloque » en raison de la trop faible densité de la lithosphère au regard de celle de l’asthénosphère.

77

Surrection de

l’Himalaya (1)

78

Surrection de

l’Himalaya (2)

79

Progression tectonique en Méditerranée

80

LIMITES TECTONIQUES

MEDITERRANNEE

81

ZONES SISMIQUES MEDITERRANNEE

82

SISMICITE MEDITERRANEENNE

83

Sismicité

mondiale

84

Séismes destructeurs 1904-1989