TPE Séismes

25 janvier 2008

Introduction

Depuis le XVIIème siècle on considère que le globe terrestre est organisé en couches concentriques superposées. La croûte terrestre est la couche supérieure de la Terre constituée de plaques mobiles. Les mouvements de ces plaques sont à l'origine des tremblements de terre, ou séismes, que l'on localise à leurs frontières. Environ 100 000 séismes sont enregistrés par an sur la planète, et sont la preuve d'une activité interne du globe. Les plus puissants d'entre eux comptent parmis les catastrophes naturelles les plus destructrices.

Que sont les séismes et quelles données connaît-on à leur sujet?

Liens des articles

I. D'où proviennent les séismes?
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II. Quelles sont les étapes de la manifestation d'un séisme?
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III. Comment mesurer et prévoir un séisme?

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I. D'où proviennent les séismes?

Pour mieux comprendre l'origine des séismes, il est nécessaire d'étudier la structure de la Terre et la mobilité des couches qui la composent.


1. Structure de la terre


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L'intérieur de la Terre est constitué d'une succession de couches de propriétés physiques et densités différentes. Le noyau, au centre, est le plus lourd et se divise en un noyau interne solide et un noyau externe liquide. La discontinuité de Gutenberg sépare le noyau et le manteau. Le manteau, qui constitue environ 80% du volume terrestre, se divise en un manteau inférieur solide et un manteau supérieur, lui-même divisé en une partie plastique appelée asthénosphère et une partie solide. La lithosphère regroupe la partie du manteau supérieur solide ainsi que la croûte continentale et océanique. La discontinuité du Mohorovicic sépare le manteau et la croûte terrestre. Cette croûte terrestre contient environ 12 plaques rigides et mobiles, dont les mouvements sont à l'origine de l'activité sismique et des reliefs continentaux et océaniques.


2. Mise en évidence du déplacement des plaques

Pendant l'ère secondaire, les continents auraient fait partie d'un super continent primitif: La Pangée, pour ensuite se morceller et dériver, ce qui rejoint la théorie de 1915 du météorologue et géophysicien allemand Alfred Wegener sur la mobilité des continents.

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La terre est donc bien constituée de plaques rigides appelées "plaques tectoniques" qui sont encore en mouvement aujourd'hui. Ces mouvements perpétuels seront à l'origine d'un changement de visage de la Terre dans quelques millions d'années avec la disparition de certains continents et la création d'îles.

3. Les mouvements des plaques

Les mouvements des plaques tectoniques sont dûs à des courants de convection. En effet, la chaleur en provenance du noyau (dont la température atteint 4300°C) tend à s'échapper vers l'extérieur et chauffe le magma situé dans le manteau. Sous l'effet de la chaleur, le magma monte et perce la croûte: il entraîne le déplacement des plaques et la création de frontières. Il existe 3 types de frontière:

* Les frontières divergentes:

divergente La roche en fusion provenant du noyau sépare la croûte terrestre en 2. Le phénomène forme des rifts sous-marins. Par exemple, dans l'Océan Atlantique, des laves s'échappent et se refroidissent, formant des dorsales océaniques. Cette divergence donne naissance à des failles qui résultent d'un mouvement d'étirement entre les deux blocs.

* Les frontières convergentes:

convergente Pendant la convergence, une plaque océanique dense se glisse sous une plaque continentale plus légère et donne naissance à des fosses océaniques et à des chaînes montagneuses. Le phénomène provoque la plupart du temps des séismes et des volcans. Par exemple, la plaque Pacifique a plongé sous la plaque sud-américain et a formé La Cordillères des Andes. L'affrontement des plaques indiennes et du continent asiatique entraîne un volcanisme fréquent. Cette convergence est à l'origine de failles inverses qui résultent d'un mouvement de compression entre les deux blocs.

* Les frontières coulissantes:

tranformante Contrairement aux deux autres mouvements qui sont des mouvements verticaux, le coulissage traduit un mouvement horizontal. Tout comme la convergence entre deux plaques continentales, le coulissage se traduit par une forte sismicité. Ainsi, la faille de San-Andreas, qui marque un coulissage entre la plaque océanique du Pacifique et la plaque continentale nord-américaine, est responsable des nombreux séismes dans la région de San-Francisco (voir ici / faire "précédent" pour revenir sur cette page). Le coulissage crée des failles résultant du décrochement des deux blocs l'un par rapport à l'autre.


Les séismes sont donc engendrés par des failles au niveau de ces frontières. Cependant, de par les natures différentes des failles, les séismes présentent à leur tour des caractéristiques différentes. La fréquence, la profondeur et la puissance des séismes changent en fonction de leur position.

                                        

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14 février 2008

II. Quelles sont les étapes de la manifestation d'un séisme?

Nous avons pû constater que les séismes étaient engendrés par des failles, c'est à dire par la rupture des roches en profondeur. La rupture des roches va être le point de départ du séisme : c'est le foyer. Le séisme manifeste des secousses plus ou moins fortes qu'on appelle ondes sismiques. Le point situé à la verticale du foyer à la surface du globe va être le premier point rencontré par les ondes sismiques : c'est l'épicentre.

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1.Les ondes sismiques

Il existe deux types d'ondes sismiques : les ondes de volume et les ondes de surface. Les ondes sismiques se propagent dans toutes les directions mais leur propagation n'est pas la même suivant le milieu qu'elles traversent. Plus la traversée du milieu est longue, plus la puissance des ondes diminue. Elles sont enregistrées dans des stations d'enregistrement sismique grâce à des sismographes.

Les ondes de volume sont déclenchées à partir du foyer. Elles sont comparables à des rayons lumineux, c'est pourquoi nous pouvons affirmer qu'elles sont en partie réfléchies et réfractées lors d'un changement de milieu. Nous avons effectué un test prouvant cette diffraction de la lumière:

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                     Expérience sur la diffraction

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                          Schéma de la diffraction

La diffraction des ondes s'effectue comme le montrent les images ci-dessus; elle a lieu lorsque les ondes rencontrent une discontinuité (par exemple la discontinuité de Mohorovicic), autrement dit lorsqu'elles changent de milieu. L'onde d'origine est alors divisée en deux ondes. L'une sera réfractée en profondeur tandis que l'autre sera réfléchie vers la surface de la Terre. La réflexion explique donc que les ondes soient ressenties de manière plus ou moins forte selon l'éloignement par rapport à l'épicentre et au foyer. En effet la distance parcourue par l'onde entre le point de réflexion et la surface de la terre augmente à chaque diffraction et atténue la puissance.

Il existe deux sortes d'ondes de volume.

* Les ondes P (primaires):

Ce sont les ondes qui sont enregistrées en premier par le sismographe. La vitesse de ces ondes peut atteindre les 14 km/s. Elles ont pour effet de compresser et dilater successivement le sol, parallèlement au sens de leur propagation. Ce sont des ondes de compression ou longitudinales.

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* Les ondes S (secondaires):

Elles sont enregistrées en second par le sismographe car leur vitesse de propagation est inférieure à celle des ondes P (environ 1.7 fois). Elles entrainent des mouvements du sol perpendiculaires au sens de propagation et ne se propagent pas en milieu liquide. Ce sont des ondes de cisaillement ou transversales.

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Les ondes de surface ne sont pas crées au foyer comme les ondes de volume. C'est lors de la réfléction des ondes de volume sur les différentes continuités de la surface du globe que celles-ci sont modifiées et deviennent des ondes de surface. Les ondes de surface se déplacent parallèlement, à faible profondeur, à la surface de la Terre. On peut distinguer:

* Les ondes de Love:

Elles déplacent le sol d'un côté à l'autre dans un plan horizontal perpendiculairement à sa direction de propagation.

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* Les ondes de Rayleigh:

Les ondes de Rayleigh font osciller les particules du sol en forme d'ellipse. Le déplacement des particules est à la fois horizontal et vertical.

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2. Les effets des séismes en surface

Selon la puissance des ondes, les effets peuvent être soit seulement observés soit être ressentis par l'homme (réveil, chute d'objets, fissures ...) ou causer des dégâts plus ou moins importants aux constructions. On parle alors d'effets macrosismiques. Il existe deux types d'effet destructeur: les effets directs et les effets induits.

Les effets directs concernent les déformations liées aux secousses produites par les séismes. Les dégâts occasionnés peuvent être modifiés par différents paramètres comme la structure des constructions et celle du sol.
Ainsi, selon que l'on se situe sur un terrain à surface plane,sur un fort relief ou sur une falaise, la puissance des secousses varie et l'importance des dégâts aussi. Les terrains peu consolidés entrainent aussi une amplification de la puissance des ondes.
La nature du sol va aussi jouer dans la puissance de l'onde car on sait que la vitesse de propagation n'est pas la même selon les milieux. La fréquence varie aussi et les ondes font donc plus ou moins de dégâts.

Les effets induits sont les phénomènes que les séismes peuvent déclencher sans qu'ils soient pour autant en rapport direct avec eux. Ces effets n’ont principalement lieu que suite à de forts séismes.
On distingue essentiellement des mouvements de terrains comme les chutes de blocs, les glissements, les coulées et les effondrements.

D'autres effets peuvent être distingués comme par exemple des ruptures dans les réseaux (conduites d'eau, de gaz...) entraînant des dégâts dans les installations telles que des inondations, des incendies, des pollutions, des pénuries d'eau, de gaz, de téléphone...

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18 février 2008

III. Comment mesurer et prévoir un séisme?

1. Mesure

     La mesure des séismes se fait grâce à un sismographe ou sismomètre, dont l'enregistrement appelé sismogramme sera ensuite étudié.

     Un sismomètre détecte les mouvements du sol. Il sert à enregistrer et mesurer les ondes émises par un séisme dans une direction donnée. Aujourd'hui, la plupart des sismographes sont de type pendulaire. Ils sont constitués d'une masse rigide suspendue à un ressort et d'un bâti en contact avec le sol.Lorsqu'une secousse ébranle le bâti, la masse tend à rester immobile à cause de son centre d'inertie.

             Inertie1                                Inertie2                                 

Le mouvement du bâti entraîne un mouvement relatif entre la masse et le bâti, qui est amplifié grâce à un système mécanique afin d'être enregistré sous forme numérique.

     Les ondes sismiques ont des directions diverses. Ainsi, on utilise dans chaque station sismique un sismomètre vertical, un sismomètre horizontal orienté nord-sud et un autre sismomètre horizontal orienté est-ouest, pour capter toutes ces vibrations.

              sismographe_horizontal                                       sismographe_vertical

          Un sismomètre horizontal                                     Un sismomètre vertical

     Ensuite, il existe différentes manières de mesurer les vibrations du sol: un sismomètre mécanique évalue le déplacement des ondes alors qu'un sismomètre électromagnétique mesure leur vitesse.

     On peut étudier la vitesse ou l'accélération des ondes dans le sol en fonction du temps afin de localiser l'origine d'un séisme. L'enregistrement graphique des données qui le permet est appelé sismogramme. L'étude d'un sismogramme sert à connaître la propagation (vitesse et trajectoire), la nature, et le temps d'arrivée des ondes à partir du foyer.

     Les mouvements de la Terre sont continuellement enregistrés. Ainsi, lorsqu'il n'y a pas de séisme, ce sont les variations atmosphériques et l'activité marine ou humaine qui sont enregistrées.

2. Evaluation

     Les sismogrammes permettent aussi d'évaluer la magnitude d'un séisme, c'est à dire l'énergie libérée au foyer par l'ébranlement initial. L'echelle de Richter sert à évaluer cette magnitude, et l'echelle de Mercalli mesure l'importance des dégâts, c'est à dire les déstructions humaines, les effets psychologiques sur la population, la modification du terrain,...

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3.Prévention

Ces divers effets, qu'ils soient extrêmement destructeurs ou non, peuvent être amoindris par la prévention des séismes. Celle-ci s'appelle plus précisément une prédiction sismique et consiste en la recherche d'un ensemble de méthodes permettant de prévoir précisément la date, le lieu et la magnitude d'un séisme à venir. Il est cependant différent de prévoir un séisme de forte ou de faible magnitude.

Il existe deux types d'approches de la prédiction sismique:

D'une part on trouve une approche probabiliste qui consiste tout d'abord à identifier les zones à risques en tenant compte de la nature des sols et de la tectonique générale des plaques, ensuite en recensant les catastrophes historiques.
D'autre part on trouve l'approche déterministe qui consiste en une identification des signes précurseurs susceptibles d'être liés à un séisme.

Ces deux méthodes sont utilisées conjointement, en effet les zones classées "à risque" par une étude probabiliste sont placées sous surveillance afin d'y effectuer une étude déterministe.

Les prédictions déterministes sont faites suivant des méthodes élaborées par différentes équipes de chercheurs. Elles comprennent premièrement l'identification des éléments précurseurs et la définitions des anomalies observées (variation des vitesses des ondes, des observations de surélévation du sol ou encore des phénomènes électromagnétiques), ensuite ces anomalies sont étudiées et interprétées afin d'élaborer un modèle physique prédictif.

Ces méthodes de prédiction ne sont pourtant pas extrêmement fiables, en effet des prédictions aléatoires et hasardeuses, dans une zone à forts risques où est implantée la surveillance, peuvent être confirmées. Il est donc difficile de prévoir un séisme aussi bien que l'on prévoit un orage ou la météo de façon générale, et ce pour trois raisons:   
              - On ne sait toujours pas précisément quels facteurs provoquent un séisme.
              - Le nombre de paramètres en jeu est très nombreux.
              - La détermination des paramètres physiques des roches qui parfois se situent à plusieurs kilomètres sous nos pieds est extrêmement délicate.

L'importance de la prédiction des séismes s'explique évidemment par l'importance des dégâts, aussi bien matériels que humains, qu'ils causent. Il est donc essentiel de prévoir les séismes, tout au moins à court terme afin d'organiser des plans d'évacuation, au risque de fausses prédictions. En effet les fausses alertes ne sont pas rares. Par exemple, pendant le mois d'août 76, de nombreuses personnes, près de Canton ont dormi sous des tentes durant près de deux mois. Les méthodes de prédictions sont donc encore vagues, ce qui montre que la prévention auprès des populations exposées à des séismes doit être améliorée afin de ne prendre aucun risque.

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*Cette sous-partie nous permet de conclure notre travail sur les limites de l'intervention humaine. Des phénomènes géologiques comme les séismes qui terrorisent les populations depuis bien lontemps persistent malheureusement sur Terre et l'Homme continue son évolution tout en tentant de prévenir et de se protéger face à ces dangers naturels.*

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