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Est-ce que l’on comprend bien les tremblements de terre ?

vendredi 14 septembre 2018, par Robert Paris

Est-ce que l’on comprend bien les tremblements de terre ?

« Sciences de la Terre et de l’Univers », ouvrage collectif dirigé par Jean-Yves Daniel et André Brahic :

« A l’origine d’un séisme naturel, il y a le jeu d’une faille (cassure avec déplacement relatif de deux compartiments), lorsqu’en un endroit donné, les contraintes dépassent la résistance des roches. De part et d’autre de la cassure, les mouvements des masses rocheuses permettent le relâchement des contraintes accumulées….

Les causes de tremblements de terre sont variées. A l’origine des séismes naturels, on trouve la formation ou le rejeu d’une faille (séisme d’origine tectonique), l’injection et le déplacement de magmas (séismes volcaniques). Certaines réalisations du génie civil, comme la mise en eau d’une importante retenue, peuvent être les facteurs déclenchants de séismes induits. Les séismes artificiels, à base d’explosions ou de vibrations, sont mis en œuvre à des fins appliquées (prospection pétrolière) ou scientifiques. (rajoutons aussi les buts politiques ou guerriers – note M et R)

Les foyers de séismes, toujours situés dans la lithosphère (enveloppe solide et fragile la plus externe du globe) se répartissent à plus ou moins grande profondeur…

La répartition géographique des épicentres des séismes à la surface du globe terrestre n’est pas quelconque. Elle se fait en suivant les grandes structures actives que sont :

– les axes des dorsales océaniques et les grands rifts continentaux (est-africain par exemple) ;

– les cordillères et les arcs insulaires péri-pacifiques dans lesquels plus de 80% de l’énergie sismique totale sont libérés ;

– la ceinture orogénique alpine qui se déroule selon une direction latitudinale, de Gibraltar à la Birmanie.

Pendant longtemps, l’unique méthode d’étude d’un séisme est restée basée sur la prise en considération des effets de surface, après enquête auprès des populations. La référence en est une échelle d’intensité macrosismique à douze degrés : échelle de Mercalli modifiée (version 1956) puis échelle puis échelle macrosismique d’intensité MSK (Medvedev, Sponheuer et Karnik, 1964). Selon cette dernière, ce sont les effets sur les personnes, les structures et les sites qui déterminent, en un endroit donné, l’intensité et la secousse…

Après un tremblement de terre et après enquête, il est possible de dessiner les lignes isoséistes, d’égal degré d’intensité sismique, enveloppant une aire pléioséiste d’intensité maximale qui renferme l’épicentre. La forme souvent allongée de cette dernière renseigne sur la direction de la faille ayant joué à plus ou moins grande profondeur.

L’échelle d’intensité sert principalement aujourd’hui à la caractérisation des séismes passés (et, par déduction, à celle du risque sismique d’une région donnée) connus au travers des relations historiques.

Dans les stations sismiques, les ondes produites par un tremblement de terre localisé à distance épicentrale plus ou moins élevée sont recueillies au moyen de sismographes qui les enregistrent sous forme de sismogrammes.

Le sismographe est conçu selon un principe simple : il s’agit d’un pendule à forte inertie, relié avec un seul degré de liberté (un axe de rotation) à un support solidaire du sol et de ses mouvements. Lors de l’arrivée d’un train d’ondes sismiques, le support se déplace mais pas la masse du pendule. Le mouvement différentiel dépend de la période de vibration du sol, de la période propre du pendule et des amortissements nécessairement imposés au système. Dans les sismographes modernes, à la masse est liée une bobine d’induction qui se déplace dans un champ magnétique : les forces de rappel électromagnétiques sont converties en courant électrique. L’enregistrement est graphique et/ou numérique. Les appareils sont, par ailleurs, munis d’un dispositif enregistrant simultanément le temps.

Pour obtenir une représentation tridimensionnelle de l’ébranlement sismique, chaque station sismique dispose de trois sismographes, chacun d’entre eux enregistrant une des trois composantes du mouvement : nord-sud, est-ouest et verticale.

Aujourd’hui, les stations sismiques équipées d’appareils standards appartiennent à des réseaux….

En permanence et notamment en l’absence d’événements sismiques, l’enregistrement ou sismogramme révèle une agitation microsismique (bruit de fond) liée aux éléments naturels (vent, houle marine…) et à l’activité humaine (usines, trafic routier ou ferroviaire…).

Après un tremblement de terre, le sismogramme porte la marque de l’arrivée successive de plusieurs trains d’onde :

– les deux premiers, d’amplitude moindre, sont nommés ondes P (ondes premières) et ondes S (ondes secondes) ;

– le troisième, de plus grande amplitude, est celui des ondes L (ondes longues). (…)

Lors d’un tremblement de terre, deux types d’ondes élastiques sont émis simultanément : des ondes de compression et des ondes de cisaillement qui se propagent à l’intérieur de la Terre. Ce sont les ondes de volume. Lorsqu’elles atteignent la surface terrestre, elles engendrent, par interférence constructive, des ondes de surface.

Les ondes P sont des ondes de compression… Les ondes S sont des ondes de cisaillement… Les ondes L sont des ondes de surface parmi lesquelles on distingue successivement :

– les ondes de Love, caractérisées par une oscillation dans un plan horizontal perpendiculaire à la direction de propagation. Elles sont de grande amplitude.

– les ondes de Rayleigh provoquant sur leur passage une oscillation dans un plan vertical, avec mouvement elliptique des particules…

La magnitude d’un séisme est déduite de la lecture des sismographes. Par définition, la magnitude (Richter, 1935) est, en effet, le logarithme décimal de l’amplitude maximale des ondes (en microns) du sismogramme enregistré à 100 km de l’épicentre par un sismogramme normalisé.

Sa formulation exacte est la suivante :

magnitude égale logarithme du rapport entre maximum d’amplitude des ondes (en millionième de mètre) et période (en secondes) plus une fonction correctrice de la dimension de l’amplitude des ondes en fonction de la distance épicentrale et la profondeur du foyer, et a une constance empirique. La classification des séismes selon leurs magnitudes est donnée par l’échelle de Richter… »

Loi de puissance

« Quand la nature s’organise » de Per Bak :

Peut-être les tremblements de terre sont-ils la manifestation naturelle la plus directe et la plus typique de phénomène critique auto-organisé. La plupart du temps, lors des périodes de stase, la croûte terrestre est au repos. De temps à autre, des poussées d’activité intermittente, voire violente viennent interrompre cette apparente tranquillité. Il se produit alors quelques tremblements de terre très importants mais rares, et de plus petits beaucoup plus fréquents.

Les très petits tremblements de terre n’ayant aucune incidence sur nous, tous les efforts des scientifiques se sont directement portés sur la prévision éventuelle des quelques rares séismes catastrophiques. L’approche des scientifiques a consisté à formuler des théories individuelles, ou explications, permettant de comprendre au cas par cas les tremblements de terre ou l’existence de zones sismiques ; en revanche, très peu d’efforts ont été consacrés à une compréhension globale du phénomène sismique.

Il faut dire que la communauté scientifique géophysique est assez conservatrice. Pour ne citer qu’un exemple, c’est en 1912 que le météorologue allemand Alfred Wegener a proposé sa théorie des plaques tectoniques, qui explique de manière générale le déplacement de la croûte terrestre et l’origine des tremblements de terre, mais il fallut attendre la fin des années 60 pour que celle-ci soit considérée comme digne d’intérêt.

Une des caractéristiques les plus intéressantes est notamment qu’elle explique la ressemblance des formes et des compositions géologiques de la côte ouest de l’Afrique et de la côte est de l’Amérique du sud…

J’ai eu l’occasion d’aborder une fois ce problème avec un groupe, non pas de géophysiciens, mais de cosmologistes lors d’un dîner raffiné au Churchill College à Cambridge : « Pourquoi adoptez-vous une attitude aussi conservatrice, alors que tant de phénomènes demeurent si mal compris ? » (…)

La réponse fut aussi simple que surprenante : « Si nous ne nous raccrochions pas à une vision commune de l’univers, bien qu’elle ne soit pas vérifiée dans les faits, rien ne nous lierait en tant que communauté scientifique. Comme le risque de voir notre vision actuelle contredite durant notre existence est faible, cette théorie en vaut une autre. » L’explication est donc sociale et non scientifique.

La plupart du temps, les explications concernant les tremblements de terre rattachent ceux-ci à des ruptures de failles spécifiques. Cela peut sembler acceptable, mais il reste bien évidemment ensuite à expliquer la structure des failles de façon indépendante… Que les cassures, au niveau ou près des failles, soient responsables des tremblements de terre, cela n’explique en rien la remarquable loi de Gutenberg-Richter…

Bien sûr, après un tremblement de terre, on peut décrire de façon détaillée ce qui s’est passé. On peut identifier la faille responsable et localiser l’épicentre, ce qui peut suffire à convaincre les scientifiques travaillant sur les tremblements de terre qu’on devrait être capable de prédire les plus gros… Malheureusement, notre expérience de la modélisation du tas de sable nous enseigne que les choses ne fonctionnent pas en général de cette manière. Ce n’est pas parce que l’on peut décrire avec une extrême précision ce qui est arrivé que l’on est nécessairement capable de prédire ce qui va se passer…

Or, la loi de Gutenberg-Richter – découverte bien avant que quiconque ait pensée à l’auto-organisation des formes et des structures – incarne l’essence même de cette théorie. La distribution des magnitudes des séismes suit une loi de puissance allant des plus petits tremblements de terre décelables, dont la puissance est équivalente au passage d’un camion, jusqu’aux séismes majeurs qui tuent des centaines de milliers de personnes. Je ne parviens donc pas à imaginer une théorie des tremblements de terre qui n’expliquerait pas la loi de Gutenberg-Richter.

Cette loi est une loi d’échelle statistique – elle donne le nombre de tremblements de terre ayant une puissance donnée comparativement au nombre de tremblement de terre d’une puissance différente, mais elle ne dit rien sur un tremblement de terre particulier. De plus, cette loi est empirique, c’est-à-dire fondée sur des mesures directes, et n’est en rien issue de concepts reliés aux principes généraux de la physique…

Nous avons alors découvert que trois modèles étaient du même type : le modèle du tas de sable et ses avalanches, le modèle des « blocs-ressort » modélisant la tectonique d’une faille sismique et ses tremblements de terre, ainsi que le modèle des pendules couplés… La loi de Gutenberg-Richter était donc la signature de l’auto-organisation critique de la croûte terrestre.

Peu de temps après, d’autres groupes de chercheurs découvrirent indépendamment de nous qu’on pouvait considérer les tremblements de terre comme un phénomène de criticalité auto-organisée. Didier et Anne Sornette, de l’université de Nice, présentèrent leurs résultats dans un cours article paru dans Europhysics Letters ; ils y soulignaient l’analogie entre les modèles de tas de sable et les modèles de blocs-ressorts… Les Japonais Keisuke Ito et Mitsuhiro Matsuzaki ont publié sur le sujet un article bien plus détaillé dans le Journal of Geographysical Research et ils ont également étudié les origines possibles des répliques, dont on sait que la distribution obéit à une loi de puissance connue sous le nom de « loi de Omori ». De façon surprenante, ces trois groupes choisirent quasiment le même titre, « Les tremblements de terre en tant que phénomène critique auto-organisé »…

Si l’on résume bien, la croûte terrestre, au prix de centaines de millions d’années d’efforts, s’est organisée d’elle-même en un état critique comprenant des plaques tectoniques, une dynamique sismique et une activité volcanique. Elle s’est constituée en une structure hautement organisée de roches, de failles, de fleuves, de lacs, etc., dans laquelle le prochain tremblement de terre peut être aussi bien un simple grondement qu’une catastrophe cataclysmique, les observations résumées dans la loi de Gutenberg-Richter étant les indicateurs de l’existence de ce processus d’organisation.

Jusqu’à présent, nous avons considéré les tremblements de terre, les éruptions volcaniques, la formation des réseaux fluviaux et les avalanches entraînant le dépôt de turbidites comme des phénomènes séparés, alors qu’en fait ils sont reliés entre eux…

En dernière analyse, on peut sans doute voir la croûte terrestre comme un système critique unique, dans lequel la criticalité se manifeste sous divers aspects… De manière identique, les plaques tectoniques sont elles-mêmes des structures fractales, ce qui nous indique qu’elles proviennent d’un autre processus critique, sans doute associé aux mouvements convectifs des matériaux à l’intérieur de la Terre…

Très récemment, les choses ont pris un tour inattendu. Keisuke ito de l’université Kobe au Japon, qui fut l’un des premiers à comprendre que les tremblements de terre pouvaient correspondre à un phénomène critique auto-organisé, fit une autre observation intéressante.

Il s’aperçut que l’on pouvait considérer en première approche le modèle à équilibre ponctué comme un modèle des tremblements de terre, par un simple changement de terminologie, le paysage d’aptitude du modèle d’évolution étant alors l’équivalent de la distribution hétérogène de barrières dans le plan de failles qui engendre les tremblements de terre…

Lors d’un tremblement de terre, une rupture part du site le plus faible de la croûte, celui qui possède la plus faible force de barrière. Lorsque le site rompt, la contrainte dans le voisinage est modifiée, ce que l’on peut modéliser en attribuant de nouveaux nombres aléatoires aux nouvelles barrières de ces sites. La rupture se propage aussi longtemps que les nouvelles barrières sont plus faibles que le seuil de rupture et le tremblement de terre s’arrête lorsque la plus petite barrière est plus forte que le seuil. Un nouveau tremblement de terre se déclenche à partir du site ayant alors la plus faible barrière, après un certain temps pendant lequel la contrainte tectonique s’est à nouveau accrue. Tous ces phénomènes obéissent au modèle d’équilibre ponctué. »

Où se situent les séismes

Pourquoi les séismes

La forte recrudescence actuelle et planétaire des séismes

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Qu’est-ce qu’un séisme ou tremblement de terre

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Qu’est-ce que la loi de Gutenberg-Richter des séismes