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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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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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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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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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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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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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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.
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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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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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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 ».
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.