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Les colères de la Terre :Introduction aux risques naturels
Enseignants: G. Chazot, J. Déverchère et J. [email protected]
La grande vague au large de Kanagawa, 1823-29, Katsushika Hokusai
- Pourquoi et comment se produisent cesphénomènes?
- Peut-on les prévoir ?
- Peut-on les contrôler?
Tsunami
- Phénomène connu mais qui dépend entre autres de l'occurrencedes séismes et dont les effets sont encore difficiles à anticiper
->Surveillance et prévention
Variations des pressions dans l'eau
GPS
Remparts anti-tsunami
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110 Volcans Actifs
Surveillance
température
composition gaz volcaniques
distancemètre
Séismes
1 séisme toutes les 30 secondes
Risque naturel complexe :
- natures et mouvements du sol
Surveillance: écoute sismologique
Prévention très importante
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Inondations et glissements de terrainRisques naturels complexes:
- Paramètres internes: natures
et mouvements du sol,
présence de failles
-Paramètres externes: Climat
Surveillance: GPS, tachéomètre,...
Organisation de l’UE
Tous les mardis de 17 à 19h excepté pendant la semaine des vacances, jusqu'au mardi 2 décembre inclus - en AMPHI A
Examen le 9 décembre 2014
durée: 1 heure
Crédits ECTS: 2.5
QCM
Emploi du temps et cours sur le web:https://perso-sdt.univ-brest.fr/~jperrot/colereterre
� QUESTIONS?
Les cours seront accessibles sur Moodle également
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Zoom 1/2
Responsable pédagogique: Julie Perrot
Intervenants: Gilles Chazot, Jacques Déverchère
2014 UE Libre
Colères de la Terre :
Introduction aux risques naturels
- Pourquoi et comment se
produisent ces
phénomènes?
- Peut-on les prévoir ?
- Peut-on les contrôler?
J.D.: « Sismogéologue »
Rift Baïkal, marge algérienne, rift Tanzanien
Séismes
Guide pratique, partie Séismes
� Séances 2014: Amphi A, 17h-19h:
� 16 septembre
� 23 septembre
� Consulter après le cours:
� Les notes et illustrations du PDF (et éventuelles annexes)
� La bibliographie fournie par J. Perrot (site web cité)
� Les sites internet cités
� La définition des mots-clés du texte que vous ne comprenez pas bien
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Zoom 1/2Séismes: un des aléas naturels• aléas naturels : contribution essentielle à l'étude du risque
• Caractéristiques fondamentales par 5 questions :
• Quelle est la cause du phénomène ? (contexte géodynamique
externe ou interne)
• Quelles sont ses conséquences ? (par quels « mécanismes » agit-il ? )
• Quand se réalise-t-il ? (fréquence, caractère rythmique ou aléatoire,
lien avec la prévision)
• Où se réalise-t-il ? (notion de zone à risque)
• Avec quelle intensité ? (quelle énergie mise en jeu, donnée
indispensable pour relier l'ensemble aux conséquences sur les enjeux)
• Aléas reliés :
• à la géodynamique externe : mouvements de sol, événements liés à
l'eau (inondations, tsunamis etc...), à l'air (tornades, ouragans)
• à la géodynamique interne : risques sismiques et volcaniques
Zoom 1/2
Séismes: Objectifs du cours• Compréhension de l’origine et des mécanismes de
déclenchement des séismes
• Analyse des risques associés : notions d’aléa et de
vulnérabilité
• Mise en place des systèmes de prévention et/ou impact sur
les populations
• Progrès récents liés à de nouvelles méthodes de détection
et d’observation, et développements et perspectives de
recherche dans ce domaine
• Etudes de cas
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Zoom 1/2
2014 UE Libre Plan• 1. Le séisme : rupture sur une faille
– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture
– 1B. Types de mouvements
– 1C. Le rebond élastique (Ried 1910) : Les phases inter -, co-, post-sismiques, le cycle
• 2. Séismes: évaluation, distribution temps-espace, lois d’échelle– 2A. Mesures - Principes de localisation
– 2B. Magnitude, intensité, correspondances entre failles actives et magnitudes
– 2C. Distribution dans le temps et l’espace: liens avec la vitesse relative des plaques
• 3. La protection contre le risque sismique– 3A. Notions d’aléa et de vulnérabilité
– 3B. Prévision des tremblements de terre: la prédiction court, moyen, long terme par l’analyse des cycles et par la modélisation
– 3C. Prévision du mouvement du sol: la prévention
– 3D. Génie parasismique
DEFORMATION ELASTIQUE:Déformation instantanée, réversible -Relation linéaire entre déformation et contrainte (Loi de Hooke, valable pour des déformations faibles)
� FLUAGE: Déformation à contrainte constante
� Roche cassante = à déformation élastique avant la rupture pour des contraintes
relativement faibles
� Le contraire: roche ductile
DEFORMATION PLASTIQUE:Déformation non réversible – Plus de relation linéaire entre déformation et contrainte
Seuil de plasticité
Déformation inverse par relâchement des contraintesDéformation permanente
� 1. Le séisme : rupture sur une faille– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture
Rupture
Quelques termes clés:
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Régime de contrainte: coulissant
Régime de contrainte : extensif
Régime de contrainte : compressif
Rejet longitudinal dominant
Rejet vertical dominant
Rejet vertical dominant
-> Failles représentatives: décrochantes, normales, inverses
Notion de contrainte
Force transmise à travers un corps de forme irrégulière en équilibre
� F=F1
(et opposées pour un corps en équilibre).
� F transmise à travers des surfaces imaginaires inégales ->intensité de la réaction sur ces plans est inégale -> force par unité de surface = contrainte
En fonction de la contrainte
appliquée sur un corps, celui-ci va
résister ou se déformer – Pour une
contrainte donnée, cette capacité dépend de l’état rhéologique du corps
1. Le séisme : rupture sur une faille
Contrainte
forteContrainte
faible
Résistance des roches et de la lithosphèreEnveloppe rhéologique
Profil (ou enveloppe) rhéologique
(« arbre de Noël ») où:
- Axe horizontal = Contrainte
différentielle: σ1
- σ3
, avec σ1
> σ2
> σ3
- Lecture du profil:
1. Dans enveloppe = domaines non
déformés ou présentant une
déformation élastique (réversible).
2. Hors enveloppe : la roche subit
une déformation : soit cassante (loi
de Byerlee), soit ductile (loi de
fluage, non linéaire)Site ENS Lyon
Partie sismogène
� 1. Le séisme : rupture sur une faille– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture
Notion de résistance
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Résistance des roches et de la lithosphèreVariations des propriétés rhéologiques: « strength »
-> Effet du gradient géothermique
Site ENS Lyon
� 1. Le séisme : rupture sur une faille– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture
Notion de résistance
Integrated strength map for intraplate Europe. Adopted
composition for upper crust, lower crust and mantle is
based on a wet quartzite, diorite and dry olivine
composition, respectively. Rheological rock parameters
are from Carter and Tsenn (1987). The adopted bulk
strain-rate is 1016 s-1 .
Cloetingh et al., 2005
Cloetingh et al., 2005
-> Autres paramètres: composition,
fluides, taux de déformation
� 1. Le séisme : rupture sur une faille1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture
Notion de résistance
Résistance des roches et de la lithosphèreVariations des propriétés rhéologiques: « strength »
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Zoom 1/2
Séisme : rupture sur une faille
www.prim.net.fr
Géométrie de la faille Mécanisme au foyer
1B. Types de mouvements
1. Le séisme : rupture sur une faille
F.F
96.3
6
7
3.4
43
Faille de San Andreas
AM.N
PAC.
CO.
J.deF.
Le séisme de San Fransisco 1906
1B. Types de mouvements
1. Le séisme : rupture sur une faille
Faille décrochante dextre
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Faille décrochante: Séisme de Luzon, Philippines, 1990, Mw 7.7
1. Le séisme : rupture sur une faille
Faille décrochante sénestre
(doc. Jean-Claude Ringenbach, TOTAL)
Spitak, Arménie, 1988, Mw 6.8
El Asnam, Algérie, 1980, Mw 7.3
1. Le séisme : rupture sur une faille
Faille inverse
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Lac Baïkal, Sibérie
Grèce
Faille normale
BILAN: La Rupture
1. Mise sous contraintes
(mouvements des plaques)
2. Déclenchement: rupture dans
les parties rigides car
contraintes accumulées
dépassent la résistance des
roches
3. Propagation de la rupture sur
la faille
-> Chute de contrainte
1. Le séisme : rupture sur une faille
Implications: Roche cassante – Rupture: assez tôt - Cisaillement
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Le modèle: Ried, 1910
– 1C. Le rebond élastique : Les phases inter-, co-, post-sismiques, le cycle
Les différents « moments »: chargement élastique, rupture sismique, période post-sismique
Période intersismique
Chargement élastique
Période cosismique
SEISME: Chute de contrainte –
Libération de l’énergie sismique
accumulée
1. Le séisme : rupture sur une faille
-> Notion de « cycle » sismique (rebond élastique répété)
Notion de récurrence sismique
régulière
Mais ce n’est pas aussi simple
dans la nature…
Temps
Con
trai
nte
Résistance mécanique (frottement)
A D
C
B
Question: Peut-on démontrer l’existence des
périodes inter- et co-sismiques?
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Mesures de déformation par GPS à travers la faille San
Andreas en Californie (période 1992-2000):
Distance perpendiculaire à la faille de San Andreas (km)
Vite
sse
mes
urée
par
GP
S (
mm
/an)
⇒ La faille ne glisse pas: Faille bloquée
⇒ La zone autour de la faille se déforme
Mesure du chargement élastique : OUI
INTERSISMIQUE
COSISMIQUE
Période intersismique– 1C. Le rebond élastique (Ried 1910) le cycle
1. Le séisme : rupture sur une faille
Exemple historique: Mesures pendant le séisme de Landers
(M=7.2, Juin 1992, Californie)
Période cosismique
Day of year (1992)
Dis
tan
ce v
ari
ati
on
(cm
)
Variation de distance entre les sites GOLD
et PIN1 mesurée par GPS
Route décalée par la faille
lors du séisme de Landers
de 1992
Déplacements liés au
séisme de Landers
mesurés par
interférométrie radar
Satellite ERS
2.8 cm / frange
Mesure de la rupture : OUI
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Zoom 1/2
2014 UE Libre Plan• 1. Le séisme : rupture sur une faille
– 1A. Elasticité des roches-> contraintes, résistance -> rupture
– 1B. Types de mouvements
– 1C. Le rebond élastique (Ried 1910) : Les phases inter -, co-, post-sismiques, le cycle
• 2. Séismes: évaluation, distribution temps-espace, lois d’échelle– 2A. Mesures - Principes de localisation
– 2B. Magnitude, intensité, correspondances entre failles actives et magnitudes
– 2C. Distribution dans le temps et l’espace: liens avec la vitesse relative des plaques
• 3. La protection contre le risque sismique– 3A. Notions d’aléa et de vulnérabilité
– 3B. Prévision des tremblements de terre: la prédiction court, moyen, long terme par l’analyse des cycles et par la modélisation
– 3C. Prévision du mouvement du sol: la prévention
– 3D. Génie parasismique
A1. L’instrument: le sismographe
�2. Séismes: évaluation, distribution temps-espace, lois d’échelle– 2A. Mesures - Principes de localisation
Systèmes oscillants
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Mesures: au début…
• 132 après J.-C., Chang Heng: jarre en porcelaine avec 8 ouvertures en forme de têtes de dragons - points cardinaux, billes dans les gueules.
• À l’intérieur : mécanisme de pendule, oscillant lors d’une secousse sismique -> gueule d’un dragon libère la bille qui tombe dans la bouche d’une grenouille -> sens de la secousse -> direction de l’épicentre
http://crdp.ac-amiens.fr/crdp/seismes
2A. Mesures - Principes de localisation
Mesures: depuis 100 ans…
• Sismomètres : masses atteignant 19 tonnes (Institut de physique du globe de Strasbourg en 1900) -> (petits) sismomètres actuels.
• Principe sismomètre (sismographe) = pendule à forte inertie relié à un bâti ou support solidaire du sol et de ses mouvements. Le pendule est relié au support avec un seul degré de liberté (axe de rotation)
� Train d’ondes -> Bâti se déplace avec le sol, pendule tend à rester immobile à cause de son inertie : mouvement relatif entre pendule et support -> signal électromagnétique
amplifié électroniquement, transformé en courant électrique puis enregistré (graphique ou numérique). � Système d’amortissement (empêchant la masse d’osciller) + dispositif enregistrant simultanément le temps� Actuellement, on utilise des sismomètres électromagnétiques qui mesurent la vitesse de mouvement du sol.
http://crdp.ac-amiens.fr/crdp/seismes
VERTICAL
HORIZONTAL
Exemple: voir http://www.guralp.com
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Ondes mesurées
Types d’ondesSismogramme
2A. Mesures - Principes de localisation
X = distance hypocentrale
h = Profondeur du foyer
D = Distance épicentrale
Station
(Foyer)
h
⇒ Déterminer Latitude Longitude Profondeur
Réseaux
Localisation2A. Mesures - Principes de localisation
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Localiser l’épicentre d’un séisme grâce aux sismogrammes
Partie I : Les tremblements de terre et leurs effets J. Albaric, Janvier 2007
d2
d1
d3
Localisation2A. Mesures - Principes de localisation
Exemple: Localisation du séisme du 11 octobre 2013
2 organismes localisent
les séismes en France:
le CEA et le RéNaSS.
Les localisations
diffèrent car en temps
réel, les stations
utilisées sont
différentes et peu
nombreuses en
Bretagne
Il est difficile de dire
quelle faille est
l'origine de ce séisme.
Trois candidats sont
possibles : la faille de
L'Elorn, la faille des
monts d'Arrée et le
cisaillement des
montagnes noires.