CHAPITRE VI
ELEMENTS DE SISMOLOGIE
« On peut prévoir mais on ne peut pas prédire… »
Contenu
1.
LA STRUCTURE DE LA TERRE .................................. ........................................................ ............................................. ........................................... .................... 2
2.
LA DERIVE DES CONTINENTS ............................................................ ................................................................................... ....................................... ................ 3
3.
TECTONIQUE DES PLAQUES ........................................................ .............................................................................. ............................................. ......................... 5
4.
FORMATION D’UN SEISME ............................................ .................................................................. ............................................ ....................................... ................. 7
5.
LES ONDES SISMIQUES .......................................... ................................................................. ............................................. ............................................. ......................... 9
6.
CLASSEMENT DES SEISMES ...................................... ............................................................ ............................................ ......................................... ................... 12
7.
LES PRINCIPAUX SEISME DANS LE MONDE ET EN FRANCE ........................................... ........................................... 15
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
1
1. LA STRUCTURE DE LA TERRE L'intérieur de la Terre est constitué d'une succession de couches de propriétés physiques différentes:
Au centre, le noyau, qui forme 17% du volume terrestre, et qui se divise en noyau interne solide et noyau externe liquide.
Le manteau qui constitue le gros du volume terrestre (81%) et qui se divise en manteau inférieur solide et manteau supérieur principalement plastique, mais dont la partie tout à fait supérieure est solide
Finalement, la croûte (ou écorce), qui compte pour moins de 2% en volume et qui est solide.
On observe un contraste de densité entre la croûte terrestre et le manteau, ainsi qu’entre le manteau et le noyau. La couche plastique du manteau supérieur est appelée asthénosphère, alors que les deux couches solides qui la surmontent, la croûte et la partie supérieure du manteau, forment la lithosphère. On reconnaît deux types de croûte terrestre:
La croûte océanique, celle qui en gros se situe sous les océans, et qui a une forte densité,
La croûte continentale, celle qui se situe au niveau des continents, et qui est plus épaisse à cause de sa plus faible densité.
La chaleur en provenance du noyau tend à s'échapper vers l'extérieur et est à l'origine des courants de convection.
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
2
2. LA DERIVE DES CONTINENTS Fig.1
Alfred Wegener (1880 1930), météorologiste allemand, fut le premier à évoquer le fait que les continents devaient se déplacer, se mouvoir les uns par rapport aux autres. Cette hypothèse fut ébauchée alors qu'il était en mission météorologique au Groenland en voyant des icebergs se détacher de la banquise et dériver vers la grand large. En 1912, dans un traité il publia la théorie de la dérive des continents, dans lequel il supposait que la croûte continentale (alors appelée sial ) "flottait" sur une couche sous-jacente dénommée sima . Wegener avait remarqué que les continents pouvaient s'emboîter les uns les autres tel un puzzle. C'est par exemple le cas des côtes ouest africaines et des côtes est sudaméricaines.
On peut envisager que jadis ces deux continents n'en formaient qu'un seul et que progressivement ils se sont éloignés l'un l'autre, l'un (l'Amérique du Sud) migrant vers l'ouest, l'autre (l'Afrique) dérivant vers l'est. D'une façon plus générale, on peut envisager qu'à une certaine époque géologique la majeure partie des continents ne formait qu'un continent unique ( fig.1) qui s'est ensuite fracturé et morcelé en plusieurs unités qui se sont séparés au cours des temps géologiques (fig.2).
Fig. 2
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
3
A la fin du Trias (il y a 180 Ma.), la Pangée s'est fracturé et deux continents sont apparus (fig.3) la Laurasia au nord (ancêtre de l'Amérique du Nord et de l'Eurasie) et le Gondwana au sud (ancêtre de l'Amérique du Sud et de l'Afrique). A la même époque, l'Inde se détache de l'Afrique, ainsi que l'Antarctique et l'Australie.
Fig. 3
A la fin du Jurassique (il y a 135 Ma.), la Laurasia se fracture laissant place à l'ouverture de l'Atlantique Nord. La Téthys se ferme. Le Gondwana se fissure et débute la séparation de l'Amérique du Sud et de l'Afrique. Inde, Antarctique et Australie continuent à migrer et se détacher Au Crétacé (il y a 65 Ma.), Amérique du Sud et Afrique se sont largement séparés, laissant place à l'ouverture de l'Atlantique Sud. Inde, Antarctique et Australie continuent leur dérive. La Téthys se ferme de plus en plus (fig.4).
Fig. 4 CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
4
3. TECTONIQUE DES PLAQUES Le manteau se subdivise en deux strates principales : le manteau supérieur et le manteau inférieur.
Le premier comprend une zone appelée asthénosphère, située juste sous la lithosphère : les roches sont ici proches de leur point de fusion, ce qui les rend particulièrement plastiques. L'asthénosphère est animée de lents mouvements de convection (brassage vertical de matière), qui ont des effets sur les plaques tectoniques).
Les plaques, constituées de croûtes océanique et continentale pour la plupart, sont mobiles les unes par rapport aux autres, et c'est le long des frontières les séparant que les phénomènes tectoniques sont les plus importants.
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
5
Il existe trois types de mouvements de plaques :
L'accrétion ou expansion océanique : lorsque deux plaques s'écartent, le vide laissé entre les deux est comblé par le magma provenant des couches profondes de la Terre. Cela est à l'origine de la formation des rifts sous-marins et des volcans de faille terrestre.
La subduction: lorsque deux plaques s'entrechoquent, l'une d'elles, la plus dense, glisse sous l'autre pour redevenir de la matière en fusion constituant le manteau.
Le coulissage, qui se caractérise par le glissement d'une plaque le long d'une autre sans création ni disparition de croûte.
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
6
4.
FORMATION D’UN SEISME
Les courants de magma à l'intérieur du manteau exercent continuellement des pressions qui tendent à déplacer les plaques continentales. Un séisme se déclenche lorsque, le long d'une faille, la
pression fait brutalement rompre la lithosphère . Cette rupture s'accompagne d'une puissante émission d'ondes. Les tremblements de terre sont engendrés par la déformation des parties externes et cassantes des « plaques tectoniques », de la couche supérieure de la croûte et du manteau supérieur de la terre. Les plaques se déplacent d'environ 2 à 12 centimètres par année. Parfois, une quantité énorme d'énergie s'accumule au sein d'une seule plaque ou entre des plaques avoisinantes. Si les contraintes accumulées excèdent la résistance des roches formant ces zones cassantes, ces roches sont susceptibles de se désagréger soudainement, libérant de l'énergie emmagasinée sous forme d'un séisme. Le point initial de libération de la contrainte est appelé le foyer (hypocentre) du séisme et sa projection à la surface de la terre est l'épicentre qui, le plus souvent, se situe dans les 60 premiers kilomètres de la couche externe de la Terre. C'est le cas des séismes superficiels qui, exceptées les quelques petites secousses d'origine volcanique, se produisent dans la partie cassante de l a croûte terrestre. Voir figure suivante :
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
7
Devant la contrainte imposée par le mouvement des plaques (mouvements de rapprochement ou d'écartement ou bien encore de coulissage des plaques rigides), les roches superficiell es se déforment de façon élastique jusqu'à un certain point de rupture à partir duquel elles cassent brutalement le long d'une ou plusieurs failles. Les parois de la faille mises en mouvement, frottent l'une contre l'autre de telle sorte qu'il y a dissipation de l'énergie d'une part sous forme de chaleur obtenue par frottement, et d'autre part sous forme de vibrations, les ondes sismiques, qui se propagent dans toutes le s directions à partir du foyer et que l'on peut enregistrer sur un sismomètre.
On peut illustrer facilement cette notion avec l'image de la pierre jetée à l'eau. Celle-ci donne naissance à des ondes qui s'éloignent du point d'impact. De la même manière, les ondes sismiques se propagent à partir du foyer d'un tremblement de terre.
La magnitude d’un séisme dépendra du type de mécanisme mise en œuvre dans le déplacement des plaques le long des failles :
Les différents « mécanismes » du jeu des failles correspondent aux différents types de contraintes possibles. La roche résiste moins bien en traction qu’en cisaillement et qu’en compression. Ainsi, une même roche rompra pour un niveau de contrainte plus ou moins élevé selon le mécanisme
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
8
5. LES ONDES SISMIQUES Comme nous venons de le voir précédemment, un séisme se transmet dans le sol via des ondes sismiques. Les ondes sismiques sont des ondes élastiques. L'onde peut traverser un milieu sans modifier durablement ce milieu. L'impulsion de départ va "pousser" des particules élémentaires, qui vont "pousser" d'autres particules et reprendre leur place. Ces nouvelles particules vont "pousser" les particules suivantes et reprendre leur place, etc.
Les vibrations engendrées par un séisme se propagent dans toutes les directions. On distingue les ondes de volume qui traversent la Terre et les ondes de surface qui se propagent parallèlement à sa surface. Elles se succèdent et se superposent sur le s enregistrements des sismomètres. Leur vitesse de propagation et leur amplitude sont modifiées par les structures géologiques traversées, c'est pourquoi, les signaux enregistrés sont la combinaison d'effets liés à la source, aux milieux traversés et aux instruments de mesure.
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
9
Les ondes de volume Elles se propagent à l'intérieur du globe. Leur vitesse de propagation dépend du matériau traversé et d'une manière générale elle augmente avec la profondeur. On distingue :
Les ondes P ou ondes primaires appelées aussi ondes de compression ou ondes longitudinales. Le déplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par dilatation et compression successives, parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Ce sont les plus rapides (6 km.s-1 près de la surface) et sont enregistrées en premier sur un sismogramme. Elles sont responsables du grondement sourd que l'on peut entendre au début d'un tremblement de terre.
Les ondes S ou ondes secondaires appelées aussi ondes de cisaillement ou ondes transversales. A leur passage, les mouvements du sol s'effectuent perpendiculairement au sens de propagation de l'onde. Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides, elles sont en particulier arrêtées par le noyau de la Terre. Leur vitesse est plus lente que celle des ondes P, elles apparaissent en second sur les sismogrammes.
La différence des temps d'arrivée des ondes P et S suffit, connaissant leur vitesse, à donner une indication sur l'éloignement du séisme.
Les ondes de volume se propagent un peu comme les rayons lumineux : elles peuvent être réfléchies ou réfractées, c'est-à-dire déviées à chaque changement de milieu, au passage manteau-noyau par exemple. Elles peuvent ainsi suivre des trajets très complexes à l'intérieur de la Terre. Leur temps de parcours dépend de ce trajet, elles n'arrivent pas toutes en même temps au même endroit.
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
10
Les ondes de surface Ce sont des ondes guidées par la surface de la Terre. Leur effet est comparable aux rides formées à la surface d'un lac. Elles sont moins rapides que les ondes de volume mais leur amplitude est généralement plus forte. On peut distinguer :
L'onde de Love : le déplacement est essentiellement le même que celui des ondes S sans mouvement vertical. Les ondes de Love provoquent un ébranlement horizontal qui est la cause de nombreux dégâts aux fondations des édifices.
L'onde de Rayleigh : le déplacement est complexe, assez semblable à celui d'une poussière portée par une vague, un mouvement à la fois horizontal et vertical, elliptique, en fait.
Les ondes de Love se propagent à environ 4 km/s, elles sont plus rapides que les ondes de Rayleigh.
A quoi ressemble le mouvement du sol lors du passage de ces ondes ? Les ondes de volume :
L'onde P comprime et étire alternativement les roches. On l'enregistre bien sur la composante verticale du sismomètre :
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
11
L'onde S se propage en cisaillant les roches lat éralement à angle droit par rapport à sa direction de propagation. On l'enregistre bien sur les composantes horizontales du sismomètre.
Les ondes de surface :
L'onde de Love L: elle déplace le sol d'un côté à l'autre dans un plan horizontal perpendiculairement à sa direction de propagation. On l'enregistre uniquement sur les composantes horizontales du sismomètre. :
L'onde de Rayleight R: le déplacement des particules est à la fois horizontal et vertical. Cette onde est enregistrée sur les trois composantes du sismomètre. Les vibrations engendrées par cette onde durent plusieurs minutes.
6. CLASSEMENT DES SEISMES Les séismes sont classés en fonction de leur intensité, suivant deux échelles :
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
12
La première est subjective, car elle est fondée sur l'étendue des dégâts observés. C'est le cas de l'échelle de Mercalli qui est composée de douze degrés :
Il y a également l’échelle de Medvedev-Sponheuer-Karnik (aussi appelée échelle MSK) :
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
13
La deuxième échelle est objective, car elle exprime la magnitude du séisme : c’est l’échelle de RICHTER. La magnitude correspond au logarithme (fonction usuelle, ce qui signifie qu'une augmentation d'une unité sur l'échelle de Richter représente des amplitudes 10 fois plus grande) de l'amplitude des vibrations enregistrées par le sismographe en fonction de la distance à l'épicentre. Cette fonction comprend neuf degrés :
Magnitude sur l'échelle de Richter Moins de 3.5 De 3.5 à 5.4
Effet du tremblement de terre Le séisme est non ressenti, mais enregistré par les sismographes. Il est souvent ressenti, mais sans dommages.
De 5.4 à 6
Légers dommages aux bâtiments bien construits, mais peut causer des dommages majeurs à d'autres bâtisses.
De 6.1 à 6.9
Peut être destructeur dans une zone de 100km à la ronde.
De 7 à 7.9
Tremblement de terre majeur. Il peut causer de sérieux dommages sur une large surface.
Au-dessus de 8
C'est un très grand séisme pouvant causer de très grands dommages dans des zones de plusieurs centaines de km.
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
14
7. LES PRINCIPAUX SEISME DANS LE MONDE ET EN FRANCE Dans le monde
On voit bien que les impacts « dessinent » les failles sismiques qui sont aux jonctions des différentes plaques tectoniques.
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
15
En France
On voit qu’il n’y a pas énormément de séismes « majeurs » en France mais l’activité est loin d’être négligeable en fonction des zones géographiques. Les séismes mesurés les plus importants ont bien entendu été enregistrés dans les massifs montagneux.
De ce fait, en 1969, les organismes officiels ont publié les normes sismiques applicables à la construction, les normes PS69 (normes ParaSismiques 1969). Ces premières normes étaient assez « pauvres » et préconisait notamment quelques dispositions constructives mais définissait surtout une 1ère carte de zonage sismique applicable aux nouvelles constructions.
En 1992, le comité de normalisation publie une nouvelle version de ces normes, les PS92. Cette version des normes était bien plus aboutie et fait apparaitre la notion de ductilité via un coefficient de comportement que l’on abordera dans les chapitres suivants.
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
16
Dans les PS92, la carte sismique applicable en France était la suivante :
En octobre 2010, les PS92 ont été remplacés par l ’EC8 avec une nouvelle carte de zonage sismique :
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
17
Si on compare les deux cartes PS92 et EC8, on se rend immédiatement compte de l’importance qu’à pris le dimensionnement sismique dans la conception des structures :
CNAM CCV223 - Génie parasismique & machines vibrantes
J.PAIS
18
