La fiche de cours
Résumé en cinq points
Les manifestations de la dynamique terrestre sont aléatoires, et leur caractère aléatoire dépend de l'échelle de temps considérée. La période de retour décrit cette occurrence, les événements forts étant rares et les événements faibles fréquents.
Le risque résulte du croisement d'un aléa, phénomène naturel indépendant de l'humain, d'un enjeu, ce qui est exposé, et d'une vulnérabilité, la sensibilité de cet enjeu. Sans enjeu, il n'y a pas de risque.
Les aléas liés à la géodynamique externe, mouvements de terrain, inondations, tempêtes et cyclones, tirent leur énergie du Soleil et de la gravité et sont fréquents à l'échelle humaine.
Les aléas liés à la géodynamique interne, séismes, éruptions et tsunamis, tirent leur énergie de la chaleur interne et de l'énergie élastique accumulée, et sont rares mais potentiellement très intenses. Leur fréquence ne varie pas à l'échelle humaine, contrairement à celle des aléas externes, sensible au contenu énergétique des enveloppes fluides.
La gestion associe prévision, prévention et protection. Elle repose sur une cartographie de l'aléa dont les incertitudes doivent être explicitées, et la décision finale intègre des critères qui dépassent l'expertise scientifique.
Pourquoi ce chapitre
Ce chapitre n'apporte presque aucun mécanisme nouveau. Tous les phénomènes qu'il mobilise ont été étudiés ailleurs : les séismes et la rhéologie de la lithosphère, le volcanisme et les dynamismes éruptifs, l'érosion et les transferts de surface, la circulation atmosphérique et le climat. Ce qu'il apporte, c'est un cadre d'analyse.
Ce cadre repose sur une distinction simple et souvent mal maîtrisée. Un phénomène naturel n'est pas un risque. Il ne le devient que s'il rencontre des populations, des biens ou des activités. Cette distinction commande tout le raisonnement, et c'est elle que les concours vérifient en priorité.
Le programme insiste aussi sur une dimension épistémologique. Les évaluations d'aléa reposent sur l'observation de systèmes complexes, par des mesures souvent indirectes et affectées d'incertitudes. Elles alimentent une discussion scientifique, qui devient ensuite un élément parmi d'autres de la prise de décision, à côté de considérations économiques, sociales et politiques. Savoir énoncer cette limite fait partie de l'attendu.
La notion de risque a été abordée en première année à travers la sismicité. Elle est ici généralisée. L'analyse des concepts s'appuie sur un exemple de risque tellurique et un exemple de risque atmosphérique, et l'on se limite aux risques d'origine naturelle.
Notions et mécanismes
Le caractère aléatoire et l'échelle de temps
Les manifestations de la dynamique de la Terre présentent un caractère aléatoire. Cela ne signifie pas qu'elles soient sans cause, mais que leur occurrence précise ne peut être prédite. On ne sait pas dire quand un séisme donné se produira, seulement estimer une probabilité sur une période donnée.
Le caractère aléatoire dépend fortement de l'échelle de temps considérée. À l'échelle humaine, de quelques décennies, un séisme majeur sur une faille donnée peut n'être jamais observé, et le phénomène paraît absent. À l'échelle géologique, de milliers à millions d'années, le même segment de faille rompt régulièrement et le phénomène devient un trait permanent de la région. Un raisonnement sur les risques doit donc toujours préciser l'échelle temporelle retenue : humaine, météorologique, climatique ou géologique.
L'outil de description est la période de retour, durée moyenne séparant deux événements d'intensité supérieure ou égale à un seuil. Parler d'une crue centennale, c'est dire qu'une crue de cette ampleur a en moyenne une chance sur cent de se produire chaque année, et non qu'elle se produit une fois par siècle de façon régulière. Deux crues centennales peuvent survenir à deux ans d'intervalle sans que l'estimation soit fausse.
Pour un type d'aléa donné, les événements forts sont rares et les événements faibles fréquents. Pour la sismicité, cette relation est bien documentée : le nombre de séismes diminue d'environ un facteur dix quand la magnitude augmente d'une unité, alors que l'énergie libérée est multipliée par un facteur d'environ trente. Quelques séismes très rares libèrent donc l'essentiel de l'énergie.
Aléa, enjeu et risque
Ces trois notions doivent être définies séparément et articulées.
L'aléa est la probabilité qu'un phénomène naturel d'une intensité donnée se produise en un lieu donné pendant une période donnée. Il se caractérise par une intensité, une extension spatiale et une fréquence. Il est indépendant de la présence humaine.
L'enjeu est l'ensemble des personnes, des biens, des activités et des patrimoines susceptibles d'être affectés. Il se quantifie en densité de population, en valeur économique, en infrastructures critiques.
La vulnérabilité mesure le degré de dommage subi par un enjeu pour une intensité donnée d'aléa. Elle dépend de la qualité des constructions, de l'organisation des secours, de la préparation de la population.
Le risque est la conséquence attendue du croisement des trois. Il est nul si l'aléa est nul, mais aussi si l'enjeu est nul. Une éruption violente dans une région déserte est un aléa fort et un risque quasi nul. Un aléa modéré dans une métropole dense et mal construite peut donner un risque très élevé.
Cette formulation a une conséquence pratique directe. On ne peut pas agir sur l'aléa, qui est un phénomène naturel. On peut agir sur l'enjeu, par le zonage et l'interdiction de construire dans les secteurs exposés, et sur la vulnérabilité, par les normes de construction, la surveillance, l'alerte et l'éducation.
Les aléas liés à la géodynamique externe
Ces aléas puisent leur énergie dans le rayonnement solaire et dans la gravité, et mettent en jeu les enveloppes fluides et la surface des continents.
Les mouvements de terrain regroupent les éboulements, chutes de blocs sur une paroi rocheuse fracturée, et les glissements de terrain, déplacement d'une masse de matériaux le long d'une surface de rupture. Leurs facteurs de prédisposition sont la pente, la nature des terrains, la présence d'un niveau imperméable sur lequel un terrain meuble peut glisser, et la fracturation. Le facteur déclenchant le plus fréquent est l'eau, qui alourdit le matériau et surtout augmente la pression interstitielle, ce qui diminue le frottement effectif sur la surface de rupture. La suppression du couvert végétal et les terrassements sont des facteurs aggravants d'origine humaine.
Les inondations résultent d'un débordement de cours d'eau lors d'une crue, d'un ruissellement intense sur des sols saturés ou imperméabilisés, ou d'une submersion marine. L'imperméabilisation des sols urbains et la rectification des cours d'eau augmentent la rapidité de la réponse du bassin versant, donc l'intensité des pics de crue.
Les aléas atmosphériques regroupent tempêtes, cyclones et tornades. Un cyclone tropical se forme sur un océan chaud, au-delà d'environ 26 degrés de température de surface sur une épaisseur suffisante, loin de l'équateur pour que la rotation terrestre permette la mise en rotation du système. Il tire son énergie de la chaleur latente libérée par la condensation de la vapeur d'eau évaporée à la surface de l'océan. Ses effets combinent vents violents, précipitations intenses et surcote marine.
Les aléas liés à la géodynamique interne
Ces aléas puisent leur énergie dans la chaleur interne de la Terre et dans l'énergie élastique accumulée dans la lithosphère.
Les séismes résultent de la rupture brutale de roches soumises à des contraintes, libérant l'énergie élastique accumulée pendant la période intersismique. Les dommages dépendent de la magnitude, de la profondeur du foyer, de la distance à l'épicentre, mais aussi beaucoup des effets de site, une couverture sédimentaire meuble amplifiant les ondes.
Les éruptions volcaniques ont des effets très variables selon le dynamisme. Un dynamisme effusif menace surtout les biens par les coulées, qui avancent assez lentement pour permettre l'évacuation. Un dynamisme explosif est bien plus meurtrier, par les coulées pyroclastiques, les retombées de cendres qui font s'effondrer les toitures et paralysent les transports, et les coulées de boue résultant du mélange de cendres et d'eau.
Les tsunamis sont des trains de vagues de très grande longueur d'onde engendrés par un déplacement brutal d'une colonne d'eau, le plus souvent lors d'un séisme sous-marin à composante verticale, parfois lors d'un glissement sous-marin ou d'un effondrement volcanique. Ils se propagent très vite en domaine profond avec une faible amplitude, et cette amplitude croît fortement en arrivant sur le plateau continental.
Comparer les deux familles
La comparaison attendue porte sur la fréquence. Les aléas liés à la géodynamique interne sont rares à l'échelle humaine et relativement stables dans le temps, car ils dépendent de processus lents, accumulation de contraintes tectoniques ou remontée de magmas, dont les rythmes ne varient pas sur quelques décennies.
Les aléas liés à la géodynamique externe sont beaucoup plus fréquents et leur fréquence n'est pas fixe. Elle dépend de l'énergie disponible dans les enveloppes externes. Le réchauffement climatique augmente le contenu thermique de l'océan et de l'atmosphère, et augmente la quantité de vapeur d'eau que l'atmosphère peut contenir. Le programme demande d'argumenter que cette énergie supplémentaire accumulée dans les enveloppes externes se traduit par une augmentation de fréquence ou d'intensité des aléas qui en dépendent. Il faut cependant énoncer cette conclusion avec la prudence qui convient, car la réponse n'est pas identique pour tous les aléas et les tendances observées sont établies avec des niveaux de confiance variables selon les phénomènes.
Un second contraste porte sur la prévisibilité. Les aléas atmosphériques se prévoient à quelques jours grâce aux modèles météorologiques. Les éruptions se prévoient à court terme grâce aux signes précurseurs, sismicité, déformation du sol, évolution des gaz émis. Les séismes ne se prévoient pas à court terme, ce qui déplace tout l'effort vers la prévention structurelle.
Gérer un risque
La gestion combine trois volets. La prévision cherche à annoncer l'événement, par la surveillance instrumentale et la modélisation. La prévention cherche à réduire le risque avant l'événement, par la cartographie de l'aléa, le zonage réglementaire, les normes de construction, l'entretien des ouvrages et l'information de la population. La protection cherche à limiter les dommages pendant et après, par les ouvrages de génie civil, les plans d'évacuation et l'organisation des secours.
Toutes ces mesures reposent sur une cartographie de l'aléa, construite à partir de l'étude des événements passés, de la géologie du site et de la modélisation. La qualité de cette cartographie dépend de la longueur de la chronique disponible, ce qui est une limite majeure pour les phénomènes à longue période de retour.
Exemples et ordres de grandeur
La magnitude est une échelle logarithmique. Un séisme de magnitude 7 libère environ mille fois plus d'énergie qu'un séisme de magnitude 5. À l'échelle mondiale, on enregistre chaque année de l'ordre d'un séisme de magnitude supérieure à 8, une quinzaine de magnitude supérieure à 7, et plus d'un millier de magnitude supérieure à 5.
Une coulée pyroclastique se déplace à plusieurs dizaines de mètres par seconde à des températures de plusieurs centaines de degrés, ce qui rend la fuite impossible et explique le poids de ce phénomène dans les bilans humains du volcanisme.
Un tsunami se propage à plusieurs centaines de kilomètres par heure en domaine océanique profond, avec une amplitude inférieure au mètre en pleine mer, et peut atteindre plusieurs mètres à plusieurs dizaines de mètres à la côte.
La France métropolitaine est un domaine de sismicité modérée, avec des zones plus actives dans les Alpes, les Pyrénées et le fossé rhénan. Les Antilles françaises cumulent quant à elles aléa sismique de subduction, aléa volcanique et aléa cyclonique.
Les schémas à savoir refaire sont un diagramme à trois cercles ou trois axes reliant aléa, enjeu et vulnérabilité au risque, un profil de versant montrant la surface de rupture d'un glissement, le niveau imperméable et l'action de l'eau, et une coupe d'un édifice volcanique avec les zones exposées aux différents produits.
Méthodes et savoir-faire
Distinguer les concepts d'aléa, d'enjeu et de risque, et les appliquer à l'analyse d'une situation concrète. La méthode consiste à traiter séparément les trois termes avant de conclure, en identifiant d'abord la nature et l'intensité du phénomène, ensuite ce qui est exposé, enfin la sensibilité de ce qui est exposé.
Argumenter la différence de fréquence entre aléas de géodynamique interne et aléas de géodynamique externe, en reliant cette différence aux sources d'énergie et à l'effet du réchauffement climatique sur le contenu énergétique des enveloppes externes.
Exploiter une carte d'aléa ou un document réglementaire pour identifier les secteurs exposés et proposer des mesures adaptées, en précisant à chaque fois si la mesure agit sur l'enjeu ou sur la vulnérabilité.
Exploiter une chronique d'événements pour estimer une période de retour, et discuter la fiabilité de cette estimation au regard de la longueur de la chronique.
Analyser un exemple de risque tellurique et un exemple de risque atmosphérique en appliquant la même grille de lecture.
Identifier, sur un document de terrain ou une photographie, les indices d'instabilité d'un versant, niches d'arrachement, bourrelets, arbres basculés, fissures.
Discuter les incertitudes d'une évaluation d'aléa et le passage de l'expertise scientifique à la décision, en rappelant que la décision intègre des critères qui ne sont pas scientifiques.
Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit
Les définitions précises d'aléa, d'enjeu, de vulnérabilité et de risque, chacune énoncée en une phrase et illustrée par un exemple où un terme est nul.
Le raisonnement sur la période de retour, avec l'interprétation correcte de la crue centennale, qui est un piège récurrent.
Le mécanisme du glissement de terrain, avec le rôle de l'eau expliqué par la pression interstitielle et non seulement par le poids ajouté.
Le mécanisme du cyclone tropical, avec ses conditions de formation et sa source d'énergie.
La comparaison argumentée des deux familles d'aléas, sur la fréquence, la source d'énergie et la prévisibilité.
Le tableau des mesures de gestion, en séparant prévision, prévention et protection, et en indiquant sur quel terme du risque chacune agit.
Le cas des Antilles françaises comme exemple de cumul d'aléas d'origines interne et externe sur un même territoire.
Deux pièges. Ne pas employer le mot risque pour désigner le phénomène naturel lui-même, qui est l'aléa. Ne pas conclure qu'une augmentation du nombre de catastrophes enregistrées prouve une augmentation de l'aléa, l'accroissement de la population exposée et l'amélioration de l'enregistrement suffisant souvent à expliquer la tendance.
Fiche rédigée à partir du programme officiel de BCPST (2021), thématique « Sciences de la Terre », partie ST-I « Les risques et les ressources géologiques », sous-partie ST-I-1. Elle traite du caractère aléatoire des manifestations de la dynamique terrestre, de la distinction entre aléa, enjeu et risque, et de la comparaison des aléas liés à la géodynamique interne et à la géodynamique externe.