Les séismes : origine et conséquences

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Le séisme, une rupture qui se propage

Un séisme est une fracture avec glissement qui se propage dans un milieu élastique. Cette formulation est à retenir mot pour mot, car elle contient tout le mécanisme.

Le point où la rupture s'initie est le foyer, ou hypocentre. Sa projection verticale à la surface est l'épicentre. La rupture ne se produit pas en un point unique, elle se propage le long du plan de faille à une vitesse de l'ordre de 2 à 3 km·s⁻¹, sur une surface d'autant plus grande que le séisme est puissant.

Ce glissement libère de l'énergie sous forme d'ondes élastiques. Les ondes de volume comprennent les ondes P, de compression, les plus rapides, autour de 6 km·s⁻¹ dans la croûte, et les ondes S, de cisaillement, autour de 3,5 km·s⁻¹, qui ne se propagent pas dans les liquides. Les ondes de surface, plus lentes mais de grande amplitude, sont les principales responsables des dégâts.

Sur un sismogramme, on identifie l'arrivée des ondes P, puis celle des ondes S, puis le train d'ondes de surface. L'écart de temps entre les arrivées P et S croît avec la distance à l'épicentre, ce qui permet de localiser le séisme en croisant les informations de plusieurs stations. Le programme demande seulement, à ce niveau, de savoir lire sur le sismogramme si la première arrivée de l'onde P correspond à une compression, la station partant vers le haut, ou à une dilatation, la station partant vers le bas.

Le rebond élastique et le cycle sismique

Le modèle du rebond élastique explique l'origine de l'énergie libérée. Deux blocs séparés par une faille sont entraînés l'un par rapport à l'autre par le mouvement des plaques. Le frottement bloque la faille sur une portion appelée zone bloquée. Le mouvement continuant, les roches de part et d'autre se déforment élastiquement et emmagasinent de l'énergie. Lorsque la contrainte accumulée dépasse la résistance au frottement, la faille rompt, les blocs reprennent leur forme non déformée en glissant brutalement, et l'énergie élastique stockée est libérée en quelques secondes.

Le cycle sismique est la description périodique de ce processus, avec une phase intersismique longue d'accumulation, une phase cosismique très brève de rupture, et une phase postsismique de réajustement qui peut durer des mois à des années. Cette notion est historiquement importante car elle a fondé l'idée de prévision.

Le programme insiste sur ses limites. Les données géodésiques modernes montrent que la périodicité suggérée par le modèle n'est quasiment jamais observée. Les intervalles entre séismes majeurs sur une même faille sont très variables, le glissement ne se répète pas à l'identique, une partie de la déformation est accommodée sans séisme par du glissement asismique ou par des séismes lents, et le couplage varie d'un segment à l'autre de la faille. Le cycle sismique est donc un modèle pédagogique utile mais simplificateur.

Magnitude et énergie

La magnitude caractérise la source. Elle est unique pour un séisme donné. Les premières échelles, de type Richter, étaient construites à partir de l'amplitude maximale enregistrée, corrigée de la distance. L'échelle utilisée aujourd'hui est la magnitude de moment, notée Mw, qui dérive d'une grandeur physique, le moment sismique. Celui-ci est le produit de la rigidité des roches, de la surface rompue et du glissement moyen sur cette surface. Il mesure donc réellement l'ampleur de la rupture, et il ne sature pas pour les très gros séismes, contrairement aux magnitudes d'amplitude.

L'échelle est logarithmique. Une unité de magnitude supplémentaire correspond à une multiplication de l'énergie libérée par environ 30. Deux unités correspondent donc à un facteur 1 000. Cela signifie qu'un unique séisme de magnitude 8 libère plus d'énergie que des milliers de séismes de magnitude 5.

Ordres de grandeur à savoir citer. Une magnitude 2 n'est pas ressentie, une magnitude 4 est ressentie sans dégât notable, une magnitude 6 provoque des destructions locales sérieuses, une magnitude 7 est un séisme majeur, une magnitude 8 à 9 est un séisme géant, qui ne se produit que sur les grandes interfaces de subduction. La magnitude la plus élevée jamais mesurée est celle du séisme du Chili en 1960, Mw 9,5. La géométrie de la rupture suit : quelques kilomètres de long et quelques centimètres de glissement pour une magnitude 5, une dizaine de kilomètres et quelques décimètres pour une magnitude 6, plusieurs centaines à plus de mille kilomètres et une dizaine de mètres de glissement pour une magnitude 9.

Intensité

L'intensité mesure les effets d'un séisme en un lieu donné. Elle se note en chiffres romains sur une échelle à douze degrés de type MSK, fondée sur la description du ressenti, des dommages aux bâtiments et des effets sur le paysage. Elle ne se mesure pas avec un instrument mais s'établit par enquête.

Un même séisme a donc une seule magnitude mais autant d'intensités que de lieux d'observation. L'intensité décroît globalement avec la distance à l'épicentre, mais elle dépend aussi de la profondeur du foyer, de la nature du sous-sol, les sédiments meubles amplifiant fortement les ondes, de la topographie et de la qualité du bâti. On la cartographie par des courbes d'égale intensité, les isoséistes, souvent allongées le long de la faille et déformées par les effets de site. Les intensités sont le seul moyen de caractériser les séismes historiques antérieurs à l'instrumentation.

Temps de récurrence, aléa et risque

Dans une région donnée, le nombre de séismes décroît régulièrement quand la magnitude augmente, selon une relation logarithmique qui, en pratique, indique qu'un séisme dix fois moins fréquent est environ une unité de magnitude plus fort. En extrapolant, on associe à chaque magnitude un temps de récurrence moyen, de quelques années pour les magnitudes modérées à plusieurs siècles ou millénaires pour les plus fortes. Ces estimations sont complétées par la paléosismologie, qui recherche dans les tranchées creusées à travers une faille les décalages de couches datées, et par les archives historiques.

L'aléa sismique est la probabilité qu'un séisme d'une certaine intensité se produise en un lieu donné dans une durée donnée. C'est une notion purement naturelle, qui combine magnitude possible, temps de récurrence et effets de site.

Le risque prend en compte, en plus, la présence humaine. Il combine l'aléa, les enjeux, c'est-à-dire les personnes, les biens et les activités exposés, et la vulnérabilité, c'est-à-dire leur fragilité face au phénomène. Un séisme fort dans un désert inhabité représente un aléa élevé et un risque nul. Un séisme modéré sous une ville dense au bâti non parasismique représente un risque considérable. C'est la distinction que le programme demande d'expliquer.

Les mécanismes au foyer

Le mécanisme au foyer permet de déterminer la géométrie de la faille et le sens du mouvement à partir des enregistrements de nombreuses stations.

Le principe repose sur le premier mouvement de l'onde P. Autour du foyer, l'espace se divise en quatre quadrants, alternativement en compression et en dilatation. Les stations situées dans un quadrant en compression enregistrent un premier mouvement vers le haut, celles situées dans un quadrant en dilatation un premier mouvement vers le bas. En reportant ces informations sur une sphère entourant le foyer, on obtient le diagramme classique en quartiers noirs et blancs, souvent appelé ballon de plage. La construction stéréographique n'est pas au programme, seule l'interprétation l'est.

Deux plans perpendiculaires séparent les quadrants : le plan de faille réel et un plan auxiliaire. Le diagramme seul ne permet pas de choisir entre les deux, il faut une information supplémentaire, comme l'alignement des répliques, la trace de la faille en surface ou le contexte régional.

La lecture est directe. Un diagramme dont la partie centrale est sombre, avec des quadrants clairs sur les bords, traduit un régime compressif et une faille inverse. Un diagramme dont la partie centrale est claire traduit un régime extensif et une faille normale. Un diagramme partagé en quatre quartiers égaux par deux plans verticaux traduit un décrochement.

L'étude d'un ensemble de mécanismes au foyer dans une région donne le régime de contraintes régional. Aux dorsales, on trouve des mécanismes normaux à l'axe et décrochants sur les failles transformantes, avec des foyers superficiels. Dans les zones de subduction, les mécanismes sont inverses le long de l'interface de contact, et la sismicité s'organise selon le plan de Wadati-Benioff jusqu'à 700 km de profondeur. Dans les chaînes de collision, on trouve un mélange de mécanismes inverses et décrochants. Les grandes failles décrochantes se signalent par des mécanismes décrochants alignés.

La géodésie spatiale appliquée aux failles

Les mesures GPS répétées fournissent, pour chaque station, une vitesse de déplacement. Autour d'une faille bloquée, les vitesses varient progressivement de part et d'autre, ce qui traduit l'accumulation de déformation élastique dans un volume large de quelques dizaines de kilomètres. Ce gradient permet de quantifier le taux de chargement de la faille, donc l'énergie accumulée, donc l'aléa.

Lors du séisme, les mêmes stations enregistrent un saut brutal, le déplacement cosismique, qui peut atteindre plusieurs mètres près de la faille. L'interférométrie radar et la corrélation d'images fournissent, elles, une carte continue des déplacements, où les franges dessinent le champ de déformation autour de la rupture. La connaissance de ces techniques n'est pas exigible, seule leur exploitation l'est.

La comparaison des ordres de grandeur est très instructive. Une faille chargée à 2 cm par an accumule 2 m de déficit de glissement en un siècle, ce qui correspond à peu près au glissement d'un séisme de magnitude 7. On peut ainsi établir un bilan de déformation et vérifier si la sismicité observée suffit à évacuer le mouvement imposé par les plaques.

Exemples et objets de référence

La carte mondiale des épicentres, qui dessine des lignes étroites soulignant les dorsales et les grands décrochements, et des bandes larges au niveau des zones de subduction et des chaînes de collision. Les séismes profonds n'existent qu'en subduction.

Le séisme de Tohoku, au Japon, le 11 mars 2011, de magnitude de moment voisine de 9, sur l'interface de subduction de la plaque Pacifique. La rupture a affecté plusieurs centaines de kilomètres de longueur avec un glissement maximal de plusieurs dizaines de mètres près de la fosse. Les stations GPS de la côte se sont déplacées de plusieurs mètres vers l'est. Le tsunami associé a été la principale cause de destruction, y compris de l'accident nucléaire, ce qui illustre parfaitement la distinction entre aléa, vulnérabilité et risque.

Le séisme de Sumatra-Andaman, le 26 décembre 2004, de magnitude voisine de 9, avec une rupture longue de plus de mille kilomètres et un tsunami transocéanique.

La faille de San Andreas, en Californie, décrochement dextre entre les plaques pacifique et nord-américaine, avec un mouvement d'ensemble de l'ordre de 5 cm par an, des segments bloqués et des segments à glissement lent continu.

Méthodes et savoir-faire

Exploiter un sismogramme pour identifier les ondes P et S, en déduire la distance à l'épicentre à partir du décalage, et lire le sens du premier mouvement.

Exploiter un mécanisme au foyer. Repérer la couleur du centre du diagramme, en déduire le régime de contraintes, identifier les deux plans nodaux, choisir le plan de faille grâce à une donnée externe, puis relier le résultat au contexte géodynamique attendu.

Comparer magnitude et intensité sur un cas concret. Bien poser qu'une magnitude caractérise la source et une intensité un lieu, puis expliquer les écarts d'intensité par la distance, la profondeur, la nature du sous-sol et le bâti.

Exploiter des vecteurs GPS autour d'une faille. Repérer le gradient de vitesse, en déduire le taux de chargement, calculer le déficit de glissement accumulé depuis le dernier séisme, comparer au glissement attendu pour une magnitude donnée.

Confronter le modèle du cycle sismique à des données réelles, en vérifiant si les intervalles de récurrence observés sont réguliers, et conclure sur les limites du modèle.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

1. Le schéma en quatre étapes du rebond élastique, avec une faille bloquée, la déformation progressive de repères initialement rectilignes, la rupture et le glissement.
2. La définition d'un séisme comme fracture avec glissement se propageant dans un milieu élastique, et le schéma foyer, épicentre, plan de faille.
3. La distinction magnitude et intensité, avec le caractère logarithmique de la magnitude et le facteur d'énergie associé.
4. La lecture des trois types de mécanismes au foyer et leur association aux contextes géodynamiques.
5. La distinction aléa, vulnérabilité, enjeux, risque, illustrée par un exemple contrasté.
6. Le calcul reliant vitesse de chargement, temps écoulé, déficit de glissement et magnitude attendue.
7. Piège fréquent : parler de prévision des séismes. On évalue un aléa probabiliste, on ne prédit ni la date ni l'heure.
8. Piège fréquent : présenter le cycle sismique comme périodique. Le programme demande explicitement de le critiquer à la lumière des données géodésiques.

Notions et mécanismes clés

• Séisme : fracture avec glissement qui se propage dans un milieu élastique. Cette définition est exigée telle quelle.
• Foyer, ou hypocentre : point d'initiation de la rupture. Épicentre : sa projection verticale en surface. Profondeur focale : distance entre les deux.
• Zone bloquée : portion de faille maintenue immobile par le frottement pendant que les plaques continuent de bouger.
• Déformation élastique : déformation réversible qui stocke de l'énergie. Sa relaxation brutale produit le séisme.
• Déficit de glissement : déplacement que la faille « doit » depuis le dernier séisme. Il vaut la vitesse de chargement multipliée par le temps écoulé.
• Phases du cycle sismique : intersismique (chargement lent), cosismique (rupture en secondes à minutes), postsismique (réajustement pendant des mois à des années).
• Glissement asismique : mouvement lent et continu de la faille sans rupture brutale. Il réduit le déficit sans produire de séisme.
• Couplage : part de la vitesse des plaques effectivement bloquée sur un segment. Un couplage de 1 signifie une faille totalement bloquée, un couplage de 0 un glissement libre.
• Moment sismique : rigidité × surface rompue × glissement moyen. C'est la grandeur physique de la source sur laquelle repose la magnitude actuelle. Elle mesure directement l'ampleur de la rupture et ne sature pas pour les très gros séismes.
• Magnitude de moment Mw : grandeur logarithmique tirée du moment sismique. Une unité de plus correspond à une énergie environ 30 fois plus grande.
• Intensité (type MSK) : effets observés en un lieu, en chiffres romains de I à XII, établis par enquête.
• Isoséiste : courbe reliant les points d'égale intensité.
• Effet de site : amplification locale des ondes par des sédiments meubles ou par la topographie.
• Loi de fréquence-magnitude : le nombre de séismes est divisé par environ 10 quand la magnitude augmente d'une unité.
• Temps de récurrence : intervalle moyen entre deux séismes d'une magnitude donnée sur une faille ou une région. C'est une moyenne et non une période.
• Aléa : probabilité qu'un phénomène d'intensité donnée survienne en un lieu et pendant une durée donnés. Risque : croisement de l'aléa avec les enjeux et leur vulnérabilité.
• Premier mouvement de l'onde P : vers le haut si la station est dans un quadrant en compression, vers le bas si elle est dans un quadrant en dilatation.
• Plans nodaux : les deux plans perpendiculaires qui séparent les quadrants. L'un est le plan de faille, l'autre le plan auxiliaire.

Chaînes de raisonnement

Du mouvement des plaques au séisme. Les plaques bougent de quelques centimètres par an de façon continue, mais la faille qui les sépare est bloquée par le frottement. Les roches voisines se déforment donc élastiquement et accumulent de l'énergie. Quand la contrainte dépasse la résistance de la faille, celle-ci glisse brutalement et l'énergie est libérée sous forme d'ondes et de chaleur.

Du profil rhéologique à la profondeur des séismes. Un séisme exige un comportement cassant, donc une roche assez froide pour rompre au lieu de fluer. Dans la croûte continentale, la sismicité s'arrête en général vers 15 à 20 km, là où le comportement devient ductile. En subduction, la plaque plongeante reste froide longtemps, ce qui explique des foyers jusqu'à 700 km le long du plan de Wadati-Benioff.

De la magnitude à l'aléa. La loi de fréquence-magnitude permet d'estimer le temps de récurrence d'un séisme fort à partir des nombreux petits séismes enregistrés. La paléosismologie et les archives historiques contrôlent cette extrapolation. Combinée aux effets de site, elle donne une probabilité de dépasser une intensité donnée, c'est-à-dire l'aléa.

De l'aléa au risque. L'aléa ne dépend que de la nature. Le risque ajoute les enjeux, qui dépendent du nombre de personnes exposées, et la vulnérabilité, qui dépend du bâti, de l'alerte et de l'organisation des secours. On ne peut pas réduire l'aléa, mais on réduit le risque par les normes parasismiques, l'aménagement du territoire et l'éducation.

Des données GPS au bilan de déformation. Le gradient de vitesse mesuré de part et d'autre d'une faille donne le taux de chargement. Multiplié par le temps écoulé depuis le dernier séisme, il donne le déficit de glissement. Si la sismicité connue libère moins que ce déficit, soit la faille glisse en partie asismiquement, soit un séisme majeur se prépare. Seules les données, par exemple une interférométrie montrant un glissement lent, permettent de trancher.

Du modèle périodique à sa critique. Si la résistance de la faille et la vitesse de chargement étaient constantes, les séismes reviendraient à intervalles réguliers avec le même glissement. Or la résistance varie, une partie du chargement part en glissement lent, et les failles voisines modifient les contraintes après chaque séisme. Les intervalles observés sont donc irréguliers, et le cycle reste un schéma d'explication et non un outil de prévision.

Du mécanisme au foyer au contexte géodynamique. Le mécanisme donne le type de faille, donc la direction du raccourcissement ou de l'étirement. Plusieurs mécanismes cohérents dans une région donnent le régime de contraintes régional. On compare ensuite ce régime à la frontière de plaques attendue, divergente, convergente ou transformante.

Exemples et références à connaître

1. Parkfield, sur la faille de San Andreas. Séismes voisins de magnitude 6 en 1857, 1881, 1901, 1922, 1934 et 1966. Un séisme était annoncé pour 1988 à cinq ans près, il n'est survenu qu'en 2004. C'est l'exemple de référence pour critiquer la périodicité.
2. Tohoku, 2011, Mw voisine de 9. Avant le séisme, les stations GPS de la côte se déplaçaient lentement vers l'ouest, entraînées par la plaque plongeante. Pendant le séisme, certaines ont sauté de plus de cinq mètres vers l'est et se sont abaissées d'environ un mètre. C'est l'illustration directe du rebond élastique.
3. Haïti, 2010, Mw 7,0, et Chili, 2010, Mw 8,8. Le séisme chilien a libéré plusieurs centaines de fois plus d'énergie, mais le bilan humain d'Haïti a été plus de cent fois plus lourd. C'est la paire idéale pour opposer aléa et risque.
4. Mexico, 1985, Mw voisine de 8. Le foyer se trouvait à plusieurs centaines de kilomètres de la capitale, mais les argiles de l'ancien lac ont fortement amplifié les ondes. C'est l'exemple type d'effet de site.
5. Le Teil, en Ardèche, 2019, Mw voisine de 5. Le foyer était très superficiel, à environ un kilomètre, et la rupture a atteint la surface. L'intensité a été forte malgré une magnitude modérée. C'est l'exemple français du rôle de la profondeur.
6. Landers, en Californie, 1992, Mw 7,3. C'est l'un des premiers séismes dont le déplacement a été cartographié par interférométrie radar, avec des franges concentriques autour de la rupture.
7. Népal, 2015, Mw 7,8. Il s'agit d'un chevauchement sur le grand plan de faille qui porte l'Himalaya, avec un mécanisme inverse. C'est l'exemple de collision.
8. Turquie, 2023, Mw 7,8, sur la faille est-anatolienne. C'est un décrochement de plusieurs centaines de kilomètres, avec des mécanismes à quatre quartiers égaux.
9. Ordres de grandeur de vitesse. L'ongle pousse d'environ 3 à 4 cm par an, comme les plaques. Une dorsale lente écarte ses bords de 2 cm par an, une dorsale rapide de plus de 10 cm par an. La rupture se propage à 2 à 3 km par seconde. Le chargement, quelques centimètres par an, vaut environ 10⁻⁹ m par seconde. La rupture va donc environ mille milliards de fois (10¹²) plus vite que le chargement.
10. Zonage sismique réglementaire français, en cinq zones d'aléa. Il détermine les règles de construction parasismique. On le cite pour montrer comment l'aléa devient une décision.

Techniques

Lire un sismogramme

On suit trois temps. On repère la première arrivée, qui est l'onde P, puis un second changement net d'amplitude, qui est l'onde S, puis le train d'ondes de surface. On lit le sens du premier mouvement de l'onde P sur la composante verticale. Si la question le demande, on convertit le délai entre S et P en distance.

Mini-exemple. On donne vP = 6 km/s et vS = 3,5 km/s, et on mesure un délai de 12 s. Comme d/vS − d/vP = Δt, on obtient d = Δt × vP × vS / (vP − vS) = 12 × 8,4 ≈ 100 km. Il s'agit de la distance au foyer. On la confond avec la distance à l'épicentre si le foyer est superficiel devant cette distance. Avec trois stations, trois cercles se coupent sur l'épicentre.

Exploiter un mécanisme au foyer

On regarde la couleur du centre du ballon. Un centre sombre indique une faille inverse, un centre clair une faille normale, quatre quartiers séparés par des plans verticaux un décrochement. On nomme ensuite les deux plans nodaux et on donne leur orientation approximative. On choisit le plan de faille grâce à une donnée externe, comme l'alignement des répliques, la trace cartographique ou l'orientation de la frontière de plaques. Pour un décrochement, le sens dextre ou sénestre dépend du plan choisi : on ne l'affirme donc qu'après ce choix.

Mini-exemple. Un ballon à centre sombre montre deux plans nodaux orientés nord-sud, l'un plongeant faiblement vers l'est, l'autre fortement vers l'ouest. Les répliques dessinent un plan peu penté vers l'est. On conclut à un chevauchement sur un plan à faible pendage vers l'est, sous l'effet d'un raccourcissement est-ouest.

Exploiter une carte de vecteurs GPS

On commence par vérifier le référentiel : une plaque fixe ou un cadre global. On projette ensuite les vitesses parallèlement à la faille et on trace un profil en fonction de la distance à la faille. On lit enfin la vitesse totale, c'est-à-dire la différence entre les deux plateaux, et la largeur de la zone de gradient. Un gradient large signale une faille bloquée en profondeur. Un saut net au droit de la faille signale un glissement asismique en surface.

Mini-exemple. Loin de la faille, les stations vont à 0 mm par an d'un côté et à 30 mm par an de l'autre, et la vitesse varie progressivement sur 60 km. La faille est donc bloquée et chargée à 3 cm par an.

Calcul d'ordre de grandeur

On écrit toujours les unités et on arrondit à une puissance de dix. On compare les énergies par la règle « facteur 30 par unité », soit 1 000 pour deux unités.

Mini-exemple. Tohoku (9,0) et Kobe (6,9) sont séparés de 2,1 unités. Le rapport d'énergie vaut environ 10 puissance 3,15, soit à peu près 1 400. Il ne vaut surtout pas 2,1.

Schéma bilan du rebond élastique

On dessine quatre vignettes vues de dessus avec une faille verticale. On trace des repères droits perpendiculaires à la faille, puis leur courbure en « S » près de la faille bloquée, puis la rupture, puis les repères de nouveau droits mais décalés. Sous chaque vignette, on inscrit l'état de l'énergie élastique : nulle, croissante, libérée, nulle.

Plan d'une synthèse sur les séismes

La meilleure organisation suit la causalité : origine, puis mesure, puis conséquences et gestion. On évite le plan « magnitude, intensité, mécanismes », qui juxtapose des outils sans fil directeur.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes