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17/09/2014 1 Les colères de la Terre : Introduction aux risques naturels Enseignants: G. Chazot, J. Déverchère et J. Perrot [email protected] La grande vague au large de Kanagawa, 1823-29, Katsushika Hokusai - Pourquoi et comment se produisent ces phénomènes? - Peut-on les prévoir ? - Peut-on les contrôler? Tsunami - Phénomène connu mais qui dépend entre autres de l'occurrence des séismes et dont les effets sont encore difficiles à anticiper ->Surveillance et prévention Variations des pressions dans l'eau GPS Remparts anti-tsunami

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17/09/2014

1

Les colères de la Terre :Introduction aux risques naturels

Enseignants: G. Chazot, J. Déverchère et J. [email protected]

La grande vague au large de Kanagawa, 1823-29, Katsushika Hokusai

- Pourquoi et comment se produisent cesphénomènes?

- Peut-on les prévoir ?

- Peut-on les contrôler?

Tsunami

- Phénomène connu mais qui dépend entre autres de l'occurrencedes séismes et dont les effets sont encore difficiles à anticiper

->Surveillance et prévention

Variations des pressions dans l'eau

GPS

Remparts anti-tsunami

17/09/2014

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110 Volcans Actifs

Surveillance

température

composition gaz volcaniques

distancemètre

Séismes

1 séisme toutes les 30 secondes

Risque naturel complexe :

- natures et mouvements du sol

Surveillance: écoute sismologique

Prévention très importante

17/09/2014

3

Inondations et glissements de terrainRisques naturels complexes:

- Paramètres internes: natures

et mouvements du sol,

présence de failles

-Paramètres externes: Climat

Surveillance: GPS, tachéomètre,...

Organisation de l’UE

Tous les mardis de 17 à 19h excepté pendant la semaine des vacances, jusqu'au mardi 2 décembre inclus - en AMPHI A

Examen le 9 décembre 2014

durée: 1 heure

Crédits ECTS: 2.5

QCM

Emploi du temps et cours sur le web:https://perso-sdt.univ-brest.fr/~jperrot/colereterre

� QUESTIONS?

Les cours seront accessibles sur Moodle également

17/09/2014

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Zoom 1/2

Responsable pédagogique: Julie Perrot

Intervenants: Gilles Chazot, Jacques Déverchère

2014 UE Libre

Colères de la Terre :

Introduction aux risques naturels

- Pourquoi et comment se

produisent ces

phénomènes?

- Peut-on les prévoir ?

- Peut-on les contrôler?

J.D.: « Sismogéologue »

Rift Baïkal, marge algérienne, rift Tanzanien

Séismes

Guide pratique, partie Séismes

� Séances 2014: Amphi A, 17h-19h:

� 16 septembre

� 23 septembre

� Consulter après le cours:

� Les notes et illustrations du PDF (et éventuelles annexes)

� La bibliographie fournie par J. Perrot (site web cité)

� Les sites internet cités

� La définition des mots-clés du texte que vous ne comprenez pas bien

17/09/2014

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Zoom 1/2Séismes: un des aléas naturels• aléas naturels : contribution essentielle à l'étude du risque

• Caractéristiques fondamentales par 5 questions :

• Quelle est la cause du phénomène ? (contexte géodynamique

externe ou interne)

• Quelles sont ses conséquences ? (par quels « mécanismes » agit-il ? )

• Quand se réalise-t-il ? (fréquence, caractère rythmique ou aléatoire,

lien avec la prévision)

• Où se réalise-t-il ? (notion de zone à risque)

• Avec quelle intensité ? (quelle énergie mise en jeu, donnée

indispensable pour relier l'ensemble aux conséquences sur les enjeux)

• Aléas reliés :

• à la géodynamique externe : mouvements de sol, événements liés à

l'eau (inondations, tsunamis etc...), à l'air (tornades, ouragans)

• à la géodynamique interne : risques sismiques et volcaniques

Zoom 1/2

Séismes: Objectifs du cours• Compréhension de l’origine et des mécanismes de

déclenchement des séismes

• Analyse des risques associés : notions d’aléa et de

vulnérabilité

• Mise en place des systèmes de prévention et/ou impact sur

les populations

• Progrès récents liés à de nouvelles méthodes de détection

et d’observation, et développements et perspectives de

recherche dans ce domaine

• Etudes de cas

17/09/2014

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Zoom 1/2

2014 UE Libre Plan• 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

DEFORMATION ELASTIQUE:Déformation instantanée, réversible -Relation linéaire entre déformation et contrainte (Loi de Hooke, valable pour des déformations faibles)

� FLUAGE: Déformation à contrainte constante

� Roche cassante = à déformation élastique avant la rupture pour des contraintes

relativement faibles

� Le contraire: roche ductile

DEFORMATION PLASTIQUE:Déformation non réversible – Plus de relation linéaire entre déformation et contrainte

Seuil de plasticité

Déformation inverse par relâchement des contraintesDéformation permanente

� 1. Le séisme : rupture sur une faille– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture

Rupture

Quelques termes clés:

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Régime de contrainte: coulissant

Régime de contrainte : extensif

Régime de contrainte : compressif

Rejet longitudinal dominant

Rejet vertical dominant

Rejet vertical dominant

-> Failles représentatives: décrochantes, normales, inverses

Notion de contrainte

Force transmise à travers un corps de forme irrégulière en équilibre

� F=F1

(et opposées pour un corps en équilibre).

� F transmise à travers des surfaces imaginaires inégales ->intensité de la réaction sur ces plans est inégale -> force par unité de surface = contrainte

En fonction de la contrainte

appliquée sur un corps, celui-ci va

résister ou se déformer – Pour une

contrainte donnée, cette capacité dépend de l’état rhéologique du corps

1. Le séisme : rupture sur une faille

Contrainte

forteContrainte

faible

Résistance des roches et de la lithosphèreEnveloppe rhéologique

Profil (ou enveloppe) rhéologique

(« arbre de Noël ») où:

- Axe horizontal = Contrainte

différentielle: σ1

- σ3

, avec σ1

> σ2

> σ3

- Lecture du profil:

1. Dans enveloppe = domaines non

déformés ou présentant une

déformation élastique (réversible).

2. Hors enveloppe : la roche subit

une déformation : soit cassante (loi

de Byerlee), soit ductile (loi de

fluage, non linéaire)Site ENS Lyon

Partie sismogène

� 1. Le séisme : rupture sur une faille– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture

Notion de résistance

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Résistance des roches et de la lithosphèreVariations des propriétés rhéologiques: « strength »

-> Effet du gradient géothermique

Site ENS Lyon

� 1. Le séisme : rupture sur une faille– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture

Notion de résistance

Integrated strength map for intraplate Europe. Adopted

composition for upper crust, lower crust and mantle is

based on a wet quartzite, diorite and dry olivine

composition, respectively. Rheological rock parameters

are from Carter and Tsenn (1987). The adopted bulk

strain-rate is 1016 s-1 .

Cloetingh et al., 2005

Cloetingh et al., 2005

-> Autres paramètres: composition,

fluides, taux de déformation

� 1. Le séisme : rupture sur une faille1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture

Notion de résistance

Résistance des roches et de la lithosphèreVariations des propriétés rhéologiques: « strength »

17/09/2014

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Zoom 1/2

Séisme : rupture sur une faille

www.prim.net.fr

Géométrie de la faille Mécanisme au foyer

1B. Types de mouvements

1. Le séisme : rupture sur une faille

F.F

96.3

6

7

3.4

43

Faille de San Andreas

AM.N

PAC.

CO.

J.deF.

Le séisme de San Fransisco 1906

1B. Types de mouvements

1. Le séisme : rupture sur une faille

Faille décrochante dextre

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Faille décrochante: Séisme de Luzon, Philippines, 1990, Mw 7.7

1. Le séisme : rupture sur une faille

Faille décrochante sénestre

(doc. Jean-Claude Ringenbach, TOTAL)

Spitak, Arménie, 1988, Mw 6.8

El Asnam, Algérie, 1980, Mw 7.3

1. Le séisme : rupture sur une faille

Faille inverse

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Lac Baïkal, Sibérie

Grèce

Faille normale

BILAN: La Rupture

1. Mise sous contraintes

(mouvements des plaques)

2. Déclenchement: rupture dans

les parties rigides car

contraintes accumulées

dépassent la résistance des

roches

3. Propagation de la rupture sur

la faille

-> Chute de contrainte

1. Le séisme : rupture sur une faille

Implications: Roche cassante – Rupture: assez tôt - Cisaillement

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Le modèle: Ried, 1910

– 1C. Le rebond élastique : Les phases inter-, co-, post-sismiques, le cycle

Les différents « moments »: chargement élastique, rupture sismique, période post-sismique

Période intersismique

Chargement élastique

Période cosismique

SEISME: Chute de contrainte –

Libération de l’énergie sismique

accumulée

1. Le séisme : rupture sur une faille

-> Notion de « cycle » sismique (rebond élastique répété)

Notion de récurrence sismique

régulière

Mais ce n’est pas aussi simple

dans la nature…

Temps

Con

trai

nte

Résistance mécanique (frottement)

A D

C

B

Question: Peut-on démontrer l’existence des

périodes inter- et co-sismiques?

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Mesures de déformation par GPS à travers la faille San

Andreas en Californie (période 1992-2000):

Distance perpendiculaire à la faille de San Andreas (km)

Vite

sse

mes

urée

par

GP

S (

mm

/an)

⇒ La faille ne glisse pas: Faille bloquée

⇒ La zone autour de la faille se déforme

Mesure du chargement élastique : OUI

INTERSISMIQUE

COSISMIQUE

Période intersismique– 1C. Le rebond élastique (Ried 1910) le cycle

1. Le séisme : rupture sur une faille

Exemple historique: Mesures pendant le séisme de Landers

(M=7.2, Juin 1992, Californie)

Période cosismique

Day of year (1992)

Dis

tan

ce v

ari

ati

on

(cm

)

Variation de distance entre les sites GOLD

et PIN1 mesurée par GPS

Route décalée par la faille

lors du séisme de Landers

de 1992

Déplacements liés au

séisme de Landers

mesurés par

interférométrie radar

Satellite ERS

2.8 cm / frange

Mesure de la rupture : OUI

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Zoom 1/2

2014 UE Libre Plan• 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

A1. L’instrument: le sismographe

�2. Séismes: évaluation, distribution temps-espace, lois d’échelle– 2A. Mesures - Principes de localisation

Systèmes oscillants

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Mesures: au début…

• 132 après J.-C., Chang Heng: jarre en porcelaine avec 8 ouvertures en forme de têtes de dragons - points cardinaux, billes dans les gueules.

• À l’intérieur : mécanisme de pendule, oscillant lors d’une secousse sismique -> gueule d’un dragon libère la bille qui tombe dans la bouche d’une grenouille -> sens de la secousse -> direction de l’épicentre

http://crdp.ac-amiens.fr/crdp/seismes

2A. Mesures - Principes de localisation

Mesures: depuis 100 ans…

• Sismomètres : masses atteignant 19 tonnes (Institut de physique du globe de Strasbourg en 1900) -> (petits) sismomètres actuels.

• Principe sismomètre (sismographe) = pendule à forte inertie relié à un bâti ou support solidaire du sol et de ses mouvements. Le pendule est relié au support avec un seul degré de liberté (axe de rotation)

� Train d’ondes -> Bâti se déplace avec le sol, pendule tend à rester immobile à cause de son inertie : mouvement relatif entre pendule et support -> signal électromagnétique

amplifié électroniquement, transformé en courant électrique puis enregistré (graphique ou numérique). � Système d’amortissement (empêchant la masse d’osciller) + dispositif enregistrant simultanément le temps� Actuellement, on utilise des sismomètres électromagnétiques qui mesurent la vitesse de mouvement du sol.

http://crdp.ac-amiens.fr/crdp/seismes

VERTICAL

HORIZONTAL

Exemple: voir http://www.guralp.com

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Ondes mesurées

Types d’ondesSismogramme

2A. Mesures - Principes de localisation

X = distance hypocentrale

h = Profondeur du foyer

D = Distance épicentrale

Station

(Foyer)

h

⇒ Déterminer Latitude Longitude Profondeur

Réseaux

Localisation2A. Mesures - Principes de localisation

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Localiser l’épicentre d’un séisme grâce aux sismogrammes

Partie I : Les tremblements de terre et leurs effets J. Albaric, Janvier 2007

d2

d1

d3

Localisation2A. Mesures - Principes de localisation

Exemple: Localisation du séisme du 11 octobre 2013

2 organismes localisent

les séismes en France:

le CEA et le RéNaSS.

Les localisations

diffèrent car en temps

réel, les stations

utilisées sont

différentes et peu

nombreuses en

Bretagne

Il est difficile de dire

quelle faille est

l'origine de ce séisme.

Trois candidats sont

possibles : la faille de

L'Elorn, la faille des

monts d'Arrée et le

cisaillement des

montagnes noires.