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Risque sismique et installations nucléaires

Quels sont les effets des séismes ?

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Les deux principaux effets associés à un séisme sont :

  • La rupture des roches au niveau de la faille. Si le séisme est suffisamment important, le mouvement sur la faille peut modifier le paysage.
  • Cette rupture s’accompagne de l’émission d’ondes sismiques qui se propagent dans la Terre jusqu’à la surface, provoquant les secousses ressenties.

 

Evaluer l’aléa sismique, c’est estimer la nature, la localisation et l’ampleur de ces effets qui peuvent induire des désordres et dommages sur les installations. 

L’étude des différents effets induits par des séismes passés permet donc d’obtenir des informations utiles pour estimer l’aléa sismique. 

 
Rupture de surface du séisme de Borah Peak (1983, Etats-Unis, Idaho, Mw 6,9), encore visible en 2016 
(liseré ocre au pied de la colline). (photo IRSN/S. Baize).

 

La rupture de la faille à la surface terrestre

Un séisme est dû à la rupture d’une faille dans les profondeurs de la Terre, et cette cassure peut parfois atteindre la surface terrestre ; on parle alors de rupture de surface. Ce déplacement relatif du sol, de part et d’autre de la faille est permanent et, avec l’accumulation dans le temps de séismes similaires, il contribue à la création des reliefs qui caractérisent les régions proches des failles. Ce déplacement permanent sur la faille est très fréquent pour les séismes de forte magnitude. Il existe en effet une relation entre la magnitude du séisme (son énergie) et la dimension de la faille rompue. L’émergence en surface de la faille est fréquemment observée lorsque la magnitude dépasse 6. Les modifications de paysage peuvent être particulièrement importantes lors des grands séismes avec un déplacement vertical (comme par exemple en Italie centrale en 2016).

 
Exemple de rupture de surface induite par le séisme de Norcia, Italie, le 26 octobre 2016 (Magnitude 6,5). Le bloc de roches présent sous les pieds des géologues s’est enfoncé de 2m lors du séisme, révélant la partie ocre de la faille (Photo S. Baize).

 

Les bâtiments construits sur une faille qui rompt lors d’un séisme peuvent être fortement endommagés. Pour cette raison il est interdit de construire une installation nucléaire à l’aplomb d’une faille capable de rompre la surface. 

 
Déplacement vertical associé à l’émergence de la faille, lors du séisme de Chi-Chi à Taiwan (magnitude 7,6), en 1999
(photo IRSN/AFPS).

 

L’étude des modifications du paysage peut renseigner sur les séismes du passé (paléoséismes)

L’émergence de la rupture en surface peut modifier la géométrie des cours d’eau, du relief et des dépôts sédimentaires associés. Ces modifications restent parfois visibles et peuvent être utilisées comme indices de l’activité sismique des failles. Par exemple, en creusant des tranchées au travers des failles, on peut mettre en évidence des ruptures passées décalant les couches géologiques superficielles. L’analyse des décalages permet d’estimer certaines des caractéristiques des séismes du passé, telles que l’époque à laquelle ils ont eu lieu, la taille du glissement sismique.

 

Soulèvement côtier consécutif au séisme de Maule (Chili 2010, Mw 8,8) illustrant les modifications importantes que peut subir le paysage et la conséquence sur les infrastructures. À gauche, les zones blanchâtres étaient sous l’eau avant le séisme. À droite, les bateaux se retrouvent échoués là où ils flottaient avant le séisme (photos S. Baize).

 

Effet induit par un séisme en mer : le raz de marée (tsunami)

Si un séisme modifie de façon importante la topographie du fond marin, un grand volume d'eau peut être déplacé brutalement. Cette vague, se propageant d’abord sur un domaine de grands fonds, a une amplitude faible, une grande longueur d’onde et une vitesse importante. En  approchant des terres, la profondeur diminuant,  l’amplitude de cette vague augmente : le tsunami inonde alors la plaine côtière.

Les plus grands tsunamis connus d’origine sismique ont généré des inondations sur plusieurs kilomètres à l’intérieur des terres et des vagues atteignant plusieurs dizaines de mètres (exemple : tsunamis de Valdivia et de Maule au Chili en 1960 et 2010, respectivement, tsunamis d’Indonésie en 2004 et du Japon en 2011. Ce dernier a provoqué l’accident nucléaire de la centrale de nucléaire de Fukushima Daiichi.

 
Débris marins déposés à une centaine de mètres de la côte par le tsunami consécutif au séisme de Maule (Mw 8,8) au Chili en 2010 (photo S. Baize).

 

Les secousses sismiques : des mouvements du sol forts et transitoires

La rupture brutale de la faille agit sur la croûte terrestre tel un caillou pénétrant la surface de l’eau : elle génère des ondes qui se propagent rapidement à partir de la faille dans toutes les directions à l’intérieur de la Terre et à sa surface. Au passage de ces ondes, le sol peut se déformer intensément et les secousses ressenties peuvent être violentes.

Dommages aux bâtiments

Lorsque les secousses sismiques atteignent les bâtiments, ils oscillent sur leurs fondations. Si les mouvements d’oscillation sont trop forts, les bâtiments peuvent être endommagés ou complètement ruinés. Le degré d’endommagement d’un bâtiment dépend de la magnitude du séisme, de la distance du bâtiment au foyer sismique, des caractéristiques du bâtiment, mais aussi des conditions de sol sous le bâtiment qui peuvent modifier les vibrations sismiques (voir la page Effets de site).

Il existe donc des règles parasismiques qui guident la construction (en termes de matériaux, conception architecturale, etc.) d’un bâtiment pour qu’il soit capable de résister au niveau de secousses sismiques attendu dans la zone sismique correspondante.

Une des caractéristiques importantes de la structure est sa fréquence naturelle d’oscillation. Lorsque cette fréquence est proche de celle des vibrations du sol pendant le séisme, le bâtiment est mis en résonance, ce qui entraîne une amplification des oscillations du bâtiment et donc un endommagement plus important pouvant aller jusqu’à sa destruction. La fréquence naturelle de vibration d’un bâtiment dépend de sa hauteur : les bâtiments élevés ont une fréquence naturelle plus basse que les bâtiments de petite taille. 

Dans certaines situations géologiques comme les bassins sédimentaires, la fréquence des vibrations peut être focalisée autour de la fréquence naturelle d’un certain type de bâtiments. Un exemple célèbre est le séisme de Mexico de 1985 au cours duquel les édifices les plus sévèrement touchés furent les bâtiments hauts (une vingtaine d’étages), alors que les maisons individuelles et immeubles de quelques étages proches ont globalement étaient peu endommagés.

Les secousses sismiques peuvent également endommager les infrastructures telles que les réseaux de distribution d’eau et de gaz, pouvant mener à des incendies destructeurs comme ça a été le cas pour le séisme de San Francisco de 1906.

 

Effets des secousses sur les infrastructures dans la région du Kanto (50 km nord de Tokyo) lors du séisme de Tohoku (2011, Japon). À gauche, inondation causée par une rupture de canalisation enterrée. À droite, illustration de l’impact des déformations importantes du sol subies lors du passage des ondes sismiques sur une bordure de trottoir d’une centaine de mètres de long : le trottoir a cédé à la compression à l’endroit le plus faible, et est resté déformé (photos S. Hok).

  

 

 

Effets des secousses sur le bâti dans la région du Kanto (50 km nord de Tokyo) lors du séisme de Tohoku (2011, Japon).
À gauche, exemple de fissures diagonales dans les voiles de béton dues au mouvement cisaillant du bâtiment (~20m de haut). À droite, en haut, destruction de la faîtière. Au milieu, chute d’une colonne de pierres verticale. En bas, rupture d’une liaison métallique (gaine d’aération) entre deux bâtiments due à des mouvements différents entre les deux structures (photos S. Hok).

 
Dommages occasionnés par le séisme d’Al Hoceima au Maroc (2004).
L’endommagement de bâtiments similaires très proches peut être très variable (photo IRSN/AFPS).

 

Autre effet induit par les ondes sismiques : les mouvements gravitaires

Les secousses sismiques peuvent déstabiliser les masses rocheuses dont l’équilibre était précaire. Ce phénomène se produit essentiellement le long des pentes dans les zones montagneuses. Ces mouvements peuvent prendre différentes formes : glissements de terrains, chutes de blocs, coulées de boues…

 
Mouvements gravitaires provoqués par le séisme de Niigata au Japon, en 2004.
A gauche, un pan entier s’est décroché de la montagne et, glissant sur la surface des couches sédimentaires, a maintenu les arbres debout. À droite, un cas plus classique d’écroulement et d’éboulement de blocs. (photo IRSN/AFPS)

 
Glissement de terrain massif consécutif au séisme de Kaikoura (Mw 7.8), Nouvelle-Zélande, en 2016.
La masse rocheuse du versant (opposé à l’observateur) s’étant brutalement affaissée dans la vallée pendant le séisme, la rivière s’est trouvée bloquée. Elle a ensuite partiellement sur-creusé son lit dans le pied du glissement, ne laissant subsister que deux petits lacs à l’aval et l’amont du glissement, un an après le séisme (photo S. Baize)

 

Autre effet induit par les ondes sismiques : le phénomène de liquéfaction

Le phénomène de liquéfaction se produit dans des sols peu cohésifs (typiquement des sables) saturés en eau. Les variations de pression lors du passage des secousses sismiques mettent en mouvement l’eau et font perdre des contacts entre les grains de la couche de sable ce qui réduit voire annule sa résistance au cisaillement. Cette couche se comporte alors comme un liquide et le sol ne peut plus supporter le poids des couches qu’elle supporte. Celles-ci, restées rigide, peuvent se fracturer et laisser s’échapper le « liquide » en surface. Lors des séismes, on observe ainsi souvent des « volcans » de sable de tailles variables. Dans des cas extrêmes, les constructions peuvent être déstabilisées et parfois littéralement s’enfoncer dans le sol.

 

  

Liquéfaction observée lors des séismes d’Emilia-Romagna (Mw=6, 2012, Italie), exprimée en surface sous la forme de « volcans » de sable. À droite, une tranchée permet de visualiser la fissure qui a acheminé le sable liquéfié au travers de la couche superficielle jusqu’à la surface. (photos S.Baize).

  

Effets de la liquéfaction dans des terrains gagnés sur la mer dans la baie de Tokyo (Chiba) lors du séisme de Tohoku (2011, Japon). En haut, exemple d’éjectas de sable. En bas, le sol s’est affaissé et déformé autour de nombreux bâtiments, nécessitant des réparations sur de grandes surfaces (photos S. Hok).

 

  

   Effets de la liquéfaction à la suite du séisme de Niigata-Chuetsu (Japon) du 24 octobre 2004 (Mw = 6,6).
À gauche, le substratum totalement liquéfié d’une rue n’a laissé en place que la partie rigide d’une buse d’accès au réseau d’assainissement (plaque initialement au niveau du sol). À droite, bâtiment industriel montrant, le long des murs, la trace du sol liquéfié et enfoncé par tassement. Le réseau des canalisations enterrées s’est détaché des conduites solidaires des bâtiments. (photos IRSN/AFPS).

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