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Séismes : effets et conséquences

Séismes : effets et conséquences

Présentation

 

 

Des séismes se produisent régulièrement en France, tant sur le territoire métropolitain que dans les départements d’outre-mer.

Si la majorité des séismes qui sont recensés en France sont relativement faibles, plusieurs tremblements de terre provoquant des dégâts aux constructions se sont produits ces dernières années, dont les plus marquant sont les séismes d’Annecy et Saint-Paul de Fenouillet en 1996, le séisme du Teil en 2019. Ce dernier a rappelé que le risque de voir des bâtiments endommagés, voir s’effondrer, à cause des tremblements de terre est bien réel.

En 1909 à Lambesc, et en 1967 à Arette, les séismes ont fait des victimes à cause de l’effondrement des maisons.

Des traces de séismes encore plus forts mais beaucoup plus anciens ont aussi été relevées par les géologues et par l’examen de documents historiques.

 

Description du phénomène

 

Un séisme est une vibration du sol provoquée par une rupture brutale des roches en profondeur le long d’une faille. Ces failles, ou zone de rupture en profondeur dans la roche, se prolongent parfois jusqu’à la surface du sol, et leurs deux bords se déplacent l’un par rapport à l’autre.

Le moteur de ces déplacements est la tectonique des plaques, c’est-à-dire le résultat des mouvements entres les plaques rigides de la lithosphère induit par les déformations des couches visqueuses en profondeur.

 

Vue d’une zone de la rupture en surface lors du séisme du Teil, Ardèche, 2019. © BRGM

 

Les éruptions volcaniques, autres phénomènes associés à la tectonique des plaques, occasionnent aussi une multitude de séismes et de microséismes.

Il a été observé également que des phénomènes naturels comme la fonte des glaciers ou des évènements pluvieux exceptionnels peuvent modifier l’état de contrainte dans de sous-sol au point de générer des séismes.

Enfin certains séismes peuvent être déclenchés par l’activité humaine. Cela a été observé par exemple lors de la mise en eau de certains barrages ou lors à proximité de sites d’exploitation ou de stockage de gaz en profondeur.

 

Origine du phénomène

Les séismes sont, avec le volcanisme, l’une des manifestations de la tectonique des plaques. Au niveau mondial, l’activité sismique est concentrée le long de failles, en général à proximité des frontières entre ces plaques. Mais il existe aussi de nombreuses failles capable de produire des séismes à l’intérieur des plaques tectoniques. Ce sont des zones de discontinuité dans les roches, héritées de l’histoire géologique, et le long desquelles des mouvements sont possibles.

Lorsque le frottement entre les blocs de part et d’autre d’une de ces failles est important, le mouvement est empêché. De l’énergie s’accumule le long de la faille. Lorsque l’énergie accumulée permet de surmonter l’effet du frottement, le retard du mouvement se traduit par un déplacement instantané entre blocs qui est la cause des séismes. Après la secousse principale, de petits réajustements des blocs au voisinage de la faille peuvent se produire, qui engendrent d’autres secousses, appelées répliques.

Dans certains cas, la nature du sous-sol ou le relief du secteur exposé, peuvent piéger les ondes sismiques et augmenter l’amplitude du mouvement sismique. On parle alors d’effets de site.

 

 

Effet des séismes : de la faille à la surface © BRGM

Intensité et magnitude

On peut comparer les séismes entre eux grâce à deux type de paramètres : l’intensité et la magnitude. 

 

L’intensité

Si on s’intéresse à l’effet des séismes en surface, l’intensité est déterminée sur une échelle qui va des secousses imperceptibles à celles qui provoquent l’effondrement généralisé des bâtiments.

La valeur de l’intensité dépend donc à la fois du phénomène, mais aussi du contexte local, et elle diminue globalement avec l’éloignement par rapport à l’épicentre.

L’intensité est très importante pour caractériser les séismes anciens, pour lesquelles aucune mesure instrumentale n’est disponible et dont la connaissance repose sur la mention des dégâts qu’ils ont provoqués.

 

La magnitude

Pour caractériser le phénomène (la rupture) on utilise la magnitude. La magnitude représente l’énergie libérée par la rupture en profondeur. Elle peut être calculée par différentes approches, à partir des enregistrements de stations sismique qui mesure les mouvements en surface. L’échelle de Richter est la plus connue, car c’est une échelle utilisée depuis 1935 pour comparer les séismes entre eux, à l’origine, en Californie.

 

En plus de calculer l’énergie libérée par un séisme, la localisation de la rupture est un paramètre important. En analysant les ondes mesurées par des stations situées à différents endroits on peut calculer le lieu d’où elles ont été émises grâce notamment au temps d’arrivée des ondes et à la connaissance de la vitesse des ondes dans le sous-sol. Pour caractériser précisément un séisme, il faut que plusieurs enregistrements de bonne qualité des ondes soient disponibles et connaitre les caractéristiques du sous-sol en profondeur. 

 

Principe de calcul de la localisation de l’épicentre d’un séisme à partir des mesures de trois stations © BRGM

Peut-on prédire les séismes ?

Les séismes résultent d’un phénomène global hautement imprévisible qui dépend de manière très sensible d’une infinité de paramètres qu’il n’est pas possible de caractériser avec une précision suffisante.

Ainsi, au moment où une rupture s’initie, celle-ci peut aussi bien se propager à l’ensemble d’un segment de faille (voir de plusieurs segments voisins) pour provoquer un important séisme, ou au contraire être rapidement stoppé.

La propagation des ondes dans le sous-sol est aussi dépendante de très nombreux facteurs, auxquels s’ajoute des facteurs d’amplification locaux.

Il n’est donc pas possible de prédire la survenue d’un séisme dans l’état des connaissances actuelles, ce qui n’empêche pas des travaux de recherche d’essayer d’en savoir plus à la fois sur les phénomènes et sur des précurseurs potentiels.

La prévention et la préparation des populations demeurent aujourd’hui la meilleure parade pour protéger des séismes.

 

Effets et conséquences d’un séisme

 

Un séisme se traduit à la surface terrestre par des vibrations du sol et parfois par des décalages de la surface du sol de part et d’autre des failles. L’ampleur des vibrations dépend en premier lieu de la quantité d’énergie libérée, de la profondeur de la rupture et de la distance à laquelle on se trouve. En outre, localement, ces mouvements peuvent être modifiés par des effets de site.

En plus des mouvements vibratoires, d’autres phénomènes peuvent aggraver les conséquences d’un phénomène sismique : tsunamis, mouvements de terrain, liquéfaction des sols.

L’épicentre est le point en surface correspondant à la rupture qui a eu lieu en profondeur.

 

 

© BRGM

 

 

Effets des séismes

Les séismes peuvent avoir des conséquences sur la vie humaine, l’économie et l’environnement.

Le séisme est le risque naturel majeur le plus meurtrier, tant par ses effets directs (chutes d’objets, effondrements de bâtiments) que par les phénomènes induits (mouvements de terrain, tsunamis, etc.). En outre, ces phénomènes peuvent conduire à la rupture de réseaux de gaz, source d’incendies ou d’explosions, provoquant un nombre important de victimes indirectes. Outre les victimes possibles, un très grand nombre de personnes peuvent se retrouver, suite à un séisme, sans abri et déplacées.

Un séisme et ses éventuels phénomènes induits peuvent engendrer la destruction ou l’endommagement des habitations, des outils de production (usines, bâtiments des entreprises, etc.), des ouvrages (ponts, routes, voies ferrées, etc.), des réseaux d’eau, d’énergie ou de télécommunications, causant des pertes matérielles directes et des perturbations importantes de l’activité économique.

 

Bâtiment endommagé à Yalova lors du séisme de Gölcük le 17 août 1999 (Turquie)
© BRGM – P. Mouroux

 

Par ailleurs, les conséquences d’un séisme peuvent être à l’origine des pollutions importantes des milieux naturels liées à la rupture ou la défaillance d’équipements industriels. Dans le cas des séismes les plus forts, des modifications du paysage ont pu être observées. Ces modifications sont généralement modérées.

Conséquences sur les bâtiments

Lors de séismes puissants touchant des zones habitées, on déplore souvent des dégâts aux constructions.

Le mouvement du sol provoqué par le séisme entraine les fondations des constructions, qui se mettent à vibrer leur tour. Or, sous l’effet de l’inertie, les déformations de la structure génèrent des forces importantes dans les éléments de construction (murs, planchers, poteaux, poutres, …). Si les bâtiments sont généralement conçus pour bien résister aux effets de la gravité, ces nouvelles forces peuvent déstabiliser la structure et dépasser la résistance des éléments porteurs. Dans certains cas, des éléments ne supportent pas le niveau de déformation imposée au bâtiment par les vibrations. Enfin, certains types de sol sont très sensibles aux effets dynamique et peuvent perdent leurs propriétés, entrainant alors l’enfoncement ou le basculement es structures qui reposent dessus. Tous ces phénomènes ont à l’origine de dégâts, qui vont de l’ouverture de fissure, à l’effondrement partiel ou total.

 

 

Schéma des principales composantes du risque sismique © BRGM

 

Lorsque les bâtiments sont conçus en tenant compte du séisme, des dispositions sont prises pour rendre le bâtiment résistant aux forces sismiques. Le sol de fondation est aussi examiné avec attention pour tenir compte des effets locaux. Les règles de constructions parasismiques permettent d’éviter l’effondrement des bâtiments pour les séismes susceptibles de se produire dans une région. Le retour d’expérience post-sismique, tant en France qu’à l’étranger, montre que l’adoption de dispositions parasismique et le respect des règles de constructions est un des leviers les plus sûr pour réduire le risque.

 

Dommage à une maison du Teil, Quartier de la Rouvière, lors du séisme du 11 novembre 2019 : une partie du mur de pignon s’est effondré, on voit aussi que le doublage en brique n’a pas supporté les déformations imposées par la toiture et les murs.

© BRGM

 

Exposition du territoire

 

La France est globalement un pays où la sismicité est modérée, en comparaison avec d’autres régions du monde.

Néanmoins, des séismes destructeurs ont eu lieu par le passé et se reproduiront dans le futur.

 

 

En métropole

Le territoire métropolitain ne se situe pas en limite de plaque tectonique. La sismicité en métropole vient principalement de l’équilibrage, à l’intérieur de la plaque Eurasie, des mouvements induits par le mouvement de collision des plaques Eurasie et Afrique. L’histoire montre que des séismes ayant eu des conséquences graves se sont produits en différents endroits du territoire.

 

© BRGM

 

Le plus fort séisme connu au XXe siècle est le séisme de Lambesc (Bouches-du-Rhône) du 11 juin 1909, d’une magnitude supérieure à 6, qui fit une cinquantaine de morts (intensité épicentrale VIII-IX). On estime qu’un séisme de magnitude 6 peut se produire en métropole une ou deux fois par siècle.

Toutefois, des séismes plus faibles, mais plus fréquents, peuvent également avoir des conséquences humaines et économiques significatives.

Par exemple, le séisme du Teil, du 11 novembre 2019, de magnitude 4.9, a entrainé de nombreuses destructions de maisons et a des conséquences économiques graves dans la région.

 

Exemples de dégâts provoqués par les séismes – Séisme du Teil, novembre 2019 © BRGM

 

Si des conditions défavorables se combinent (source peu profonde et proche d’un centre urbain, présence de formations meubles, bâti vulnérable), un séisme de puissance modérée peut causer des victimes par des effondrements de bâtiments vulnérables ou d’éléments non structuraux.

Les Pyrénées, les Alpes, la Provence et le sud de l’Alsace sont les régions les séismes se produisent le plus fréquemment. Dans les régions montagneuses, outre les effets directs d’un séisme, les mouvements de terrain potentiels pourraient avoir de graves conséquences. D’autres régions connaissent une sismicité modérée : le Grand Ouest, le Massif central, le Nord et les Vosges.

 

© BRGM

En outre-mer

C’est aux Antilles (Guadeloupe, Martinique, Saint-Martin, Saint-Barthélemy) que sismicité est la plus forte car ces îles étant situées au niveau de la zone de subduction des plaques nord-américaine et sud-américaine sous la plaque caraïbe. La sismicité dans l’arc antillais est principalement de deux types :

• des séismes de subduction interplaque, dont les magnitudes peuvent être de l’ordre de 8 et le foyer jusqu’à des profondeurs de 150 à 200 km ;

• des séismes intraplaques superficiels dont les magnitudes peuvent aller jusque 6.5.

Parmi les séismes importants survenus ces dernières années aux Antilles figurent le séisme des Saintes, en Guadeloupe, du 21 novembre 2004 (M 6.3, I0 VIII), qui fit une victime et de nombreux dégâts aux habitations, et le séisme du 29 novembre 2007 en Martinique (M 7.4, I0 VI).

 

Église de Terre de Bas après le séisme du 21 novembre 2004 (Saintes, Guadeloupe). © BRGM

 

Les plus forts séismes historiques connus dans la région sont le séisme du 8 février 1843, en Guadeloupe, d’intensité épicentrale estimée à IX-X, qui causa la mort de plus de 1500 personnes et la destruction de la ville de Pointe-à-Pitre, et le séisme du 11 janvier 1839, en Martinique, d’intensité épicentrale estimée à IX, qui provoqua la mort de plusieurs centaines de personnes et la destruction de Fort-de-France (alors appelée Fort-Royal).

Parmi les autres départements d’outre-mer, la Guyane et Saint-Pierre-et-Miquelon connaissent une sismicité très faible, La Réunion une sismicité faible et Mayotte une sismicité modérée. Un séisme ayant provoqué de nombreux dommages aux constructions s’est produit en 1993 à Mayotte. L’île connait actuellement un essaim sismique (très nombreux séismes se produisant sur une période donnée) dû à l’activité volcanique, et l’apparition au large de l’archipel d’un nouveau volcan sous-marin.

La Polynésie française, connaît une sismicité faible. La sismicité des îles Wallis et Futuna est estimée comme moyenne. La Nouvelle-Calédonie est soumise à une sismicité très faible à moyenne.

Vulnérabilité

Le risque sismique ne dépend pas seulement de la sismicité.

La nature des bâtiments compte pour beaucoup dans les effets d’un séisme sur un territoire. De nombreuses constructions datent d’époques om les règles de construction parasismiques n’existaient pas. Elles présentent souvent des faiblesses qui les rendent sensibles aux vibrations. La forme et la taille des bâtiments, les matériaux utilisés, leur mise en œuvre et l’état d’entretien des bâtiments sont des facteurs qui influencent beaucoup le comportement des bâtiments en cas de séisme.

Dans les centres urbains anciens, de nombreux bâtiments sont vulnérables. Les séismes destructeurs de ces dernières années, en France ou en Italie, montre que de nombreux bâtiments ancien en pierre sont sévèrement touchés. Il existe des techniques pour réduire cette vulnérabilité, mais elles sont encore peu rependues, et leur cout et parfois important. Les constructions récentes doivent respecter l’obligation règlementaire de construction parasismique, et sont donc normalement beaucoup plus sure. Par ailleurs, des études locales peuvent aider à prendre en compte efficacement les effets de site susceptibles d’aggraver les sollicitations sismiques, le risque de liquéfaction ou d’éviter les zones exposées à des mouvements de terrain ou des tsunamis qui peuvent être déclenchés par les séismes.

 

Aléa sismique

 

L’aléa sismique est la possibilité, pour un site donné, d’être exposé à des secousses telluriques de caractéristiques données (exprimées en général par des paramètres tels que l’accélération, l’intensité, le spectre de réponse…).

L’aléa sismique peut être évalué par une méthode déterministe ou probabiliste ; dans le premier cas, les caractéristiques sont celle d’un évènement réel, éventuellement assortie d’une marge de sécurité (séisme le fort connu historiquement par exemple).

Dans l’approche probabiliste, l’ensemble des données permettant l’estimation de l’aléa sont examinée dans un cadre statistique, et l’aléa est alors exprimé comme une probabilité de dépasser un niveau fixé.

 

Evaluation de l’aléa

L’évaluation de l’aléa sismique doit prendre en compte l’ensemble des connaissances disponibles sur le phénomène et ses causes, sur la plus longue période de temps possible, car les séismes sont des évènements peu fréquents en France.

L’occurrence d’un séisme à un endroit dépend à la fois de mécanismes régionaux (tectonique, géologie) à grande échelle, et de spécificité locales (relief configuration et nature du sol, sensibilité aux phénomènes induits).

L’aléa est donc usuellement découpé en une composante régionale et un spécificité locale.

Aléa régional

L’aléa régional recouvre la caractérisation de l’agression sismique au rocher affleurant en surface, résultant de l’activation de sources sismique et de la propagation des ondes de la source à la cible.

L’analyse de l’aléa régional nécessite deux étapes :

 

  • L’identification des sources sismiques
  • Le calcul du mouvement vibratoire en surface

 

L’identification des sources sismiques consiste à localiser les failles actives et à évaluer leur potentiel sismogénique en termes de magnitude ou d’intensité des séismes susceptibles d’être générés par ces failles, leur profondeur focale et leur récurrence. En se basant sur des données géologiques et sismiques, ce travail aboutit à la définition d’un zonage sismotectonique découpant la région considérée en zones homogènes dans lesquelles la probabilité d’occurrence d’un séisme de caractéristiques données est estimée équivalente en tout point ;

 

Concernant le calcul du mouvement vibratoire en surface par l’application d’une loi d’atténuation aux sources potentielles identifiées dans le zonage sismotectonique, on distingue principalement deux approches d’évaluation d’aléa régional :

 

  • L’approche déterministe dans laquelle le mouvement du sol est estimé à partir d’un séisme de référence, de caractéristiques connues. Ce séisme de référence correspond à un séisme dont l’occurrence est avérée par les données historiques (témoignages) ou instrumentales (enregistrement des stations);

 

  • L’approche probabiliste consiste à calculer en tout point du territoire le niveau d’accélération du sol susceptible d’être atteint ou dépassé pour une période de temps donnée, en tenant compte de l’ensemble des données disponibles, historiques ou instrumentale, en y associant des lois de récurrence.

Aléa local

L’évaluation de l’aléa local permet de prendre en compte les modifications de la vibration sismique par les conditions géologiques et topographiques locales, les effets de site.

Elle permet également de définir des zones dans lesquelles des effets induits (mouvements de terrain, liquéfaction des sols) sont susceptibles d’être provoqués par un séisme.

À l’échelle d’une commune, ce travail permet d’aboutir à un micro-zonage sismique, délimitant les zones dans lesquelles les amplifications du mouvement du sol sont identiques.

Carte du zonage réglementaire

La sismicité ne se répartit pas de manière uniforme sur le territoire, en conséquence, les dispositions à prendre en compte pour construire peuvent varier en fonction des régions. La règlementation s’appuie en France sur une carte de l’aléa sismique réalisée à l’échelle nationale. Elle est traduite au niveau règlementaire par un zonage sismique, qui donne pour chaque commune son niveau d’exposition.

Zonage sismique de la France (entrée en vigueur le 1er mai 2011)

 

Ce zonage, et les niveaux d’accélération du sol qui en découlent pour la conception des ouvrages, concernent les bâtiments et ouvrages construits pour accueillir des occupants, pour remplir des fonctions socio-économiques ou qui sont utilisés en cas de crise. Les bâtiments à « risque normal » sont classés par catégories d’importance dont le croisement avec la zone de sismicité dans laquelle ils se trouvent déterminent les dispositions parasismiques à respecter.

Les progrès scientifiques en matière d’évaluation de l’aléa sismique, ainsi que l’évolution des normes de construction parasismique à l’échelle européenne (Eurocode 8), ont conduit à une révision de ce zonage et à l’harmonisation des normes à l’échelle européenne. Le zonage repose sur une évaluation dite probabiliste de l’aléa sismique. Elle consiste à estimer le mouvement sismique susceptible d’être atteint ou dépassé en fonction d’une probabilité fixée pendant une période de temps donnée.

Le nouveau zonage sismique de la France pour le bâti dit à « risque normal » est entré en vigueur avec l’arrêté du 22 octobre 2010 « relatif à la classification et aux règles de construction parasismique applicables aux bâtiments de la classe dite à risque normal » et aux décrets n°2010-1254 relatif à la prévention du risque sismique et n°2010-1255 portant sur la délimitation des zones de sismicité du territoire français. Ce zonage découpe le territoire français en 5 zones de sismicité (très faible, faible, modérée, moyenne, forte). Dans les zones 2 à 5, les règles de construction parasismique sont applicables aux bâtiments et ponts « à risque normal ». Cela concerne environ 21 000 communes.

En complément, les arrêtés du 24 janvier 2011 et du 15 février 2018 fixent les règles parasismiques applicables à certaines installations classées en se fondant sur ce nouveau zonage sismique de la France. Les installations nucléaires relèvent une réglementation spécifique appelée RFS 2001-01.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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