Les séismes : comprendre l’origine, les mécanismes et la prévention

L’activité sismique est un phénomène naturellement présent sur Terre, dont l’homme cherche à se protéger. Les séismes sont des phénomènes naturels dus aux mouvements des plaques tectoniques.

Qu’est‑ce qu’un séisme ?

Un séisme ou tremblement de terre est un ensemble de secousses plus ou moins importantes qui ébranlent la croûte terrestre et entraînent la formation de fissures. Les séismes se caractérisent par des secousses brèves et parfois très violentes à la surface du globe. Ils sont générés par une rupture brutale des roches en profondeur, au niveau d'une faille.

La cause des séismes : tectonique des plaques et autres origines

La cause des séismes est intimement liée aux mouvements terrestres. En effet, la couche de roche solide présente à la surface de la Terre s'appelle la lithosphère. Elle est formée de 12 plaques tectoniques, qui se déplacent les unes par rapport aux autres. Ces plaques tectoniques (qu’elles soient continentales ou océaniques) correspondent à la couche extérieure rigide du globe (la lithosphère). Elles sont animées de mouvements horizontaux, principalement à cause de grands courants de convection dans le manteau sous-jacent, eux même engendrés par la libération de chaleur du noyau de la Terre.

Ce mouvement est possible car la lithosphère repose sur une couche de roche en fusion, l'asthénosphère, qui agit comme un tapis roulant. Le moteur de l’ouverture des océans au niveau des rifts océaniques est le fonctionnement de larges cellules dans lesquelles l’asthénosphère est en convection. La surface de la Terre se déforme donc lentement sous l’effet du déplacement relatif des plaques tectoniques.

Les failles sismiques sont localisées majoritairement sur la bordure des plaques tectoniques, là où deux plaques se rapprochent, s’éloignent ou coulissent l’une par rapport à l’autre. Ces failles sont les marqueurs des déformations qui affectent la croûte terrestre lors de “l’affrontement” de deux plaques. Elles sont généralement bloquées, mais parfois les contraintes qu’elles subissent sont telles qu’elles rompent brutalement en provoquant un séisme.

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Lorsque les plaques se rencontrent, les plaques tectoniques peuvent se déformer sous la pression gigantesque qu'elles subissent. Ces déformations causent des tremblements de terre, ou séismes. Lorsqu'elles se rencontrent, les plaques tectoniques peuvent se déformer sous la pression gigantesque qu'elles subissent. Ces déformations causent des tremblements de terre, ou séismes. Lors de la rupture, l’énergie accumulée se libère soudainement et se disperse dans toutes les directions de l’espace, sous forme d’ondes.

Ainsi, un séisme est une rupture des roches de la croûte terrestre, un glissement brutal le long d’une faille sismique consécutif à une accumulation de contraintes au cours du temps. Suite aux mouvements des plaques, les roches cèdent en un point de la faille, appelé le foyer. L’épicentre est la zone située à la surface du globe où le séisme est le plus fortement ressenti.

Autres causes naturelles et causes induites par l’homme

En outre, d’autres phénomènes naturels à la surface de la Terre peuvent également être à l’origine de séismes. La fonte des glaciers et l’érosion modifient la force verticale s’exerçant sur la croûte terrestre, ce qui peut générer des séismes. Par exemple, à 50 km au large de Mayotte, de nombreux séismes se produisent depuis 2018. Leur origine est la naissance d’un nouveau volcan au fond de l’océan, à 3500 m de profondeur.

Enfin, les activités industrielles humaines peuvent aussi modifier les forces dans la croûte terrestre générant de la sismicité dite « induite », en particulier dans le cas de l’exploitation ou du stockage en profondeur de ressources souterraines (gaz, eau). La mise en eau de barrages peut également déclencher des séismes. Cette activité sismique induite modifie l’aléa sismique de la région concernée (exemples : Koina en Inde, Bâle en Suisse, Groningen aux Pays-Bas, Oklahoma aux Etats-Unis).

Ondes sismiques et enregistrement

Chaque séisme provoque des vibrations dans la lithosphère. Ces vibrations se propagent dans toutes les directions, sous forme d'ondes sismiques qui peuvent être détectées par l’homme. Ces ondes sont détectées par des appareils, appelés sismographes. Le sismographe est un instrument de mesure des mouvements du sol. Cet appareil enregistre sur papier le tracé des mouvements = sismogramme. Ils matérialisent les ondes sismiques qu'ils détectent en un tracé, que l’on nomme le sismogramme. Plus il est ample, c'est-à-dire plus le trait monte haut et descend bas, plus la secousse est importante.

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Caractéristiques d’un séisme : profondeur, durée, magnitude

À quelle profondeur se produisent les séismes ? La majorité des séismes se produisent dans la croûte terrestre, à moins de 20 km de profondeur. Les séismes plus profonds sont localisés dans des zones étroites, bien connues. Dans les zones de subduction, la lithosphère s’enfonce sous une autre plaque, et descend dans le manteau jusqu’à une profondeur de 700 km ou plus. On sait que, vers 700 km, les roches ne peuvent plus accumuler de contrainte, ce qui explique que les séismes ne soient pas observés à des profondeurs supérieures à 700 km.

La durée des vibrations sismiques ressentie par les personnes dépend de deux facteurs : la durée pendant laquelle la faille glisse (1 ou 2 secondes pour un séisme de magnitude 4 à une centaine de secondes pour un séisme de magnitude supérieure à 8) et la durée liée à l’étalement des arrivées d’ondes sismiques se propageant à des vitesses différentes. Pour les très gros séismes (magnitude supérieure à 7), la première durée peut devenir importante et son effet se combine avec les effets de propagation et de résonance (effets de site).

L’échelle de Richter est une unité de mesure de la force des séismes. Il faut savoir que l’échelle de Richter part de zéro et n'a pas de limite supérieure. Le séisme le plus violent enregistré à ce jour s’est produit au Chili en 1960, avec une magnitude de 9,5 sur l’échelle de Richter.

Conséquences des séismes

Les tremblements de terre ou séismes modifient les paysages de différentes façons : failles, éboulements, glissements de terrains. Un tsunami est la création et le déplacement d'une vague gigantesque qui peut être causée par un séisme. Le séisme constitue un risque naturel majeur, potentiellement très meurtrier et pouvant causer des dégâts importants sur les bâtiments et les équipements.

Risque sismique : aléa, enjeux et cartes

Cependant, comme un séisme peut survenir à différents endroits, le risque dépend de l'aléa et des enjeux. L'aléa correspond à la probabilité d'occurrence d'un phénomène naturel (ici un séisme) tandis que les enjeux sont les individus, les équipements et l’environnement susceptibles d’être touchés par une catastrophe naturelle. Dans le cas d’un désert régulièrement soumis à des séismes, l'aléa d'un séisme existe, mais l'enjeu est quasiment nul. En revanche, si une zone très peuplée est régulièrement confrontée à des séismes, le risque est élevé. En effet, l'aléa et l'enjeu sont dans ce cas importants.

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Pour se protéger des risques sismiques, des cartes indiquent les zones d'aléa et de risque. La sismicité se concentre pour l’essentiel le long des frontières des grandes plaques tectoniques, là où les mouvements relatifs sont les plus importants. Carte de la sismicité mondiale issue du catalogue v5.0 de l’ISC-GEM, pour la période 1904-2014 et pour les séismes de magnitude supérieure à 5,5, montre que les épicentres soulignent les limites de plaques lithosphériques se déplaçant les unes par rapport aux autres.

Prévision des séismes : état des connaissances

Actuellement, il n'existe aucune méthode à court/moyen/long terme qui fut vraiment démontrée, d'où le manque de fiabilité dans la prédiction d'un séisme, car la précision d'un lieu, d'une date et de l'intensité d'un séisme se révèle toujours très difficile. De même que pour la prévision à court terme il existe des méthodes permettant d'établir des prédictions à moyen et long terme, mais elles manquent souvent de fiabilité. La première méthode que nous allons étudier se révèle très enfantine du fait de sa simplicité, elle s'appelle méthode Magnitude8. Elle consiste à étudier la récurrence des séismes en un lieu précis ainsi que leur périodicité dans le temps.

Beaucoup de petits séismes évitent-ils d’avoir les gros séismes ? L'énergie dissipée par de petits séismes est bien trop faible pour libérer celle qui peut générer un gros séisme. Par exemple, pour libérer l’équivalent d’un séisme de magnitude 5 sur un segment de faille qui fait moins de 10 km de long, il faut plus de 30 000 séismes de magnitude inférieure ou égale à 2 sur ce même segment.

Il y a fréquemment une concentration de petits séismes avant un fort séisme (de magnitude 6 ou plus), mais ce n’est pas toujours le cas. Parfois, rien ne se produit avant. Par ailleurs, dans la plupart des cas d’augmentation de petits séismes, ils ne sont suivis par aucun séisme fort.

Prévention et protection : construction parasismique

Dans cette partie, nous allons étudier les technologies pour limiter les dégâts matériels, de ce fait nous ne parlerons pas directement de la prévention des pertes humaines comme les exercices de sauvetage par exemple. La première mesure consiste à s’informer des risques existants, notamment auprès de sa mairie à travers le Document d’Information Communal sur les Risques Majeurs. Une autre mesure à mettre en œuvre est d’évaluer la vulnérabilité de son logement face au risque sismique. Il convient de se préparer à l’éventualité d’un séisme en construisant en respectant les règles parasismiques ou en renforçant son logement.

Qu'est ce que la construction parasismique ? Elle vise à limiter les dégâts matériels : nous considérons deux édifices dont une équipé de construction parasismique, celle-ci résiste mieux aux séismes. La réglementation parasismique a été révisée en octobre 2010 pour prendre en compte les évolutions des connaissances scientifiques et des normes européennes. Elle s’applique ainsi depuis mai 2011 aux bâtiments faisant l'objet d'une demande de permis de construire, d'une déclaration préalable, ou d'une autorisation permettant un commencement de travaux.

Les règles parasismiques applicables aux bâtiments dits à risque normal s’intéressent au comportement de la structure (sa résistance aux secousses), mais également au dimensionnement des éléments non structuraux (cloisons, faux plafonds, cheminées…). En effet, en cas de séisme, les éléments non structuraux peuvent occasionner des blessures aux occupants ou gêner leur évacuation.

Renforcement, réglementation et plans locaux

Réduire la vulnérabilité du bâti existant est l’un des enjeux de la réduction du risque sismique sur le territoire français. Un guide explicitant la démarche à adopter pour le traitement des bâtiments existants a ainsi été réalisé. Ce guide n’a pas de statut réglementaire ni normatif. Il s’appuie sur des exemples de démarches de diagnostic et renforcement de bâtiments existants pour illustrer les méthodologies et stratégies de renforcement décrites dans l’Eurocode 8.

Les Antilles (Guadeloupe, Martinique, Saint‑Martin et Saint‑Barthélemy) sont les régions de France où l’aléa et le risque sismiques sont les plus forts. Selon les scientifiques, l’accumulation des contraintes au niveau du contact des plaques tectoniques Amérique et Caraïbes devrait produire un séisme majeur dans les prochaines décennies. Ce constat a amené à créer en 2007 le plan séisme Antilles. Il a pour objet d’offrir rapidement la meilleure sécurité possible aux résidents antillais.

Observation, enseignement et expériences pédagogiques

Des activités pédagogiques conduisent les élèves à proposer des hypothèses sur l’origine de ce phénomène. Sur une table, papiers journaux formant les montagnes recouvert d'une couche d'argile. Après séchage (1 semaine) appliquer des contraintes de chaque côté du modèle jusqu'à rupture (les tensions qui s'exercent sur les roches aboutissant à leur rupture est à l'origine des tremblements de terre : les forces s'accumulent pendant un certain temps et sont libérées soudainement lors de la rupture des roches).

Parmi les pistes pédagogiques: observation de dégâts engendrés par un tremblement de terre, construction de maquettes, et analyse de la répartition particulière des séismes dans le monde sur un planisphère pour montrer que les séismes sont localisés au niveau des frontières de plaques de l'écorce terrestre.

Exemples historiques et observables

Le séisme le plus violent enregistré à ce jour s’est produit au Chili en 1960, avec une magnitude de 9,5 sur l’échelle de Richter. Une sismicité récurrente, et occasionnellement destructrice, a pu être observée au cours des siècles. L’occurrence de tels événements, parfois dans des zones où l’activité sismique actuelle est très faible (comme en 1580 dans le Pas de Calais) interroge encore aujourd’hui.

Des sons audibles sont généralement signalés en lien avec des séismes locaux ; ils peuvent ressembler à une explosion ou un bang d'avion supersonique proche de l'épicentre, et un bruit semblable à celui du passage d'un gros camion ou un fort grondement. Ces sons sont associés au passage des ondes P et peuvent être entendus dans la zone épicentrale.

Ressources et approfondissements

L'objectif de nos recherches est de retracer l'histoire de la Terre et des planètes ainsi que des petits corps du Système Solaire et de comprendre les processus internes qui les animent. Ce thème allie diverses méthodes d'approches allant de la sismologie, la dynamique des fluides, la minéralogie, la spectroscopie et la géochimie (cosmochimie) ainsi que de nombreuses méthodes numériques.

Pour aller plus loin : animations, vidéos pédagogiques (C'est pas sorcier, Le Blob, Universcience), infographies CNRS‑INSU, et des missions scientifiques comme Insight qui étudient la sismologie sur d'autres corps planétaires.

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