Risque sismique • Aléa sismique
Les séismes sont les risques naturels majeurs les plus meurtriers dans le monde, généralement associés à des dégâts considérables. Ils correspondent à une rupture superficielle ou profonde de roches résistantes. Au moment de la rupture, de l’énergie est libérée sous forme d’ondes élastiques qui se propagent à l’intérieur de la terre, se traduisant en surface par des vibrations du sol.
Les tremblements de terre, comme les volcans et les chaînes de montagne, ne sont pas distribués au hasard sur la Terre. Ils se répartissent le long des zones où s’affrontent des éléments du globe terrestre : les plaques lithosphériques. La lithosphère représente l’enveloppe externe de la Terre. Elle est constituée de plaques considérées comme des solides rigides se déplaçant à la surface de la Terre. Les frontières entre les plaques sont les zones où la lithosphère ne peut plus être considérée comme indéformable : elles sont donc caractérisées par une forte activité sismique. Cette forte activité se traduit par des séismes majeurs, dont la magnitude peut être supérieure à 9 dans les zones de subduction, et atteindre 8 dans les zones de collision, et par de très nombreux séismes de plus faible magnitude.
Les régions situées à l'arrière de ces limites de plaque restent cependant aussi fortement exposées à des aléas sismiques potentiellement importants, car les contraintes liées aux mouvements relatifs des plaques se propagent à des grandes distances des frontières concernées. Seules les zones centrales des plaques tectoniques peuvent bénéficier d'un aléa sismique plus modéré, se traduisant par des séismes de magnitude plus faible et des périodes de retour plus grandes.
De nombreuses cartographies des plaques tectoniques sont aujourd'hui disponibles, avec une grande homogénéité des limites majeures entre ces plaques, et quelques alternatives scientifiques dans les zones moins bien connues. La géométrie actuelle des plaques tectoniques continue d'évoluer lentement, un cycle complet d'évolution s'étalant sur quelques centaines de millions d'années. L'image que nous voyons aujourd'hui est donc pérenne à l'échelle de la vie humaine, mais elle résulte pour la France hexagonale d'une histoire encore active : rattachement de la microplaque ibérique à la plaque eurasienne et création des Pyrénées, rattachement de la microplaque italique à la plaque eurasienne et création des Alpes.
On constate une très forte corrélation entre la cartographie des plaques tectoniques et la distribution des séismes au niveau mondial établie par les nombreux observatoires qui enregistrent aujourd'hui tous les séismes de magnitude supérieure à 2 affectant notre globe terrestre.
La magnitude des séismes est une mesure de l'énergie libérée par la rupture de la faille sous forme d'ondes sismiques, qui parcourent l'ensemble du globe terrestre. Après prise en compte de l'atténuation des ondes avec la distance parcourue dans le globe terrestre, cette mesure en différents points du globe de l'amplitude des ondes sismiques locales est fondamentalement liée à la surface de la rupture sismique, à l'amplitude du déplacement relatif de part et d'autre de la faille et à la contrainte libérée à rupture, ce dernier paramètre étant relativement stable pour les différents mécanismes de rupture et les propriétés mécaniques des roches concernées. Le principe de cette mesure a été imaginé et réalisé pour la première fois par Richter avec les sismographes disponibles en 1930, Le protocole technique de cette mesure a évolué avec les progrès scientifiques et technologiques, et les scientifiques aujourd'hui utilisent préférentiellement une échelle de magnitude en moment sismique. Cette échelle de magnitude suit une règle logarithmique, ce qui veut dire que chaque degré de magnitude supplémentaire correspond à une augmentation d'un facteur 30 de l'énergie libérée. il existe un lien fort entre la longueur de la rupture et la magnitude du séisme : des séismes de magnitude supérieures à 8 impliquent donc nécessairement plus d'une centaine de kilomètres de rupture, alors que des séismes de magnitude 5 ne vont impliquer que quelques kilomètres. L'étendue des zones géographiques impactées par la rupture sera donc directement dépendante de la magnitude de l'événement sismique. La magnitude maximale mesurée est aujourd'hui de l'ordre de 9,5 +- 0,1, lors de mégaséismes de subduction sur le bord Est de la plaque pacifique..
L'intensité macrosismique est, en lieu donné, une évaluation de l'importance des effets d'un séisme sur les constructions et l'environnement. Cette évaluation prend en compte de façon empirique la vulnérabilité relative des constructions humaines, et s'appuie sur des dénombrements statistiques de la nature des dommages constatés. Elle s'exprime dans une échelle caractérisée usuellement pas des chiffres romains (intensité VIII, intensité IX,...) avec une valeur maximale potentielle arbitrairement fixée à XII. Compte tenu de l'atténuation des ondes sismiques avec la distance à la rupture, l'intensité évaluée est généralement maximale dans les zones proches de la rupture, mais les effets de site peuvent venir perturber ce constat : Chaque séisme peut cependant être ainsi associé à son intensité macrosismique maximale dans sa zone épicentrale, et c'est pourquoi on parle assez facilement de séisme d'intensité maximale VI ou VII (dans sa zone épicentrale).pour caractériser l'importance d'un séisme. Aujourd'hui, on sait que les effets locaux peuvent être très importants et donc que les cartes d'intensité macrosismique peuvent être rapidement très variables.
Cette approche par l'intensité macrosismique de l'importance des séismes reste le seul outil disponible pour tenter de caractériser les séismes historiques, antérieurs au développement des moyens de mesure de l'amplitude des ondes sismiques, avec de très nombreuses incertitudes sur la fiabilité de cette évaluation (faible connaissance de la vulnérabilité du bâti à l'époque concernée, rareté des sources historiques, contexte de la narration retrouvée,...). Pour essayer de diminuer le poids de ces incertitudes, les spécialistes du domaine ont développé des outils interprétatifs plus robustes, comme la notion de distance maximale où une intensité a été observée, mais l'exercice reste difficile ! Il existe aussi de très nombreuses tentatives de corrélation statistique entre la distribution spatiale des intensités macrosismiques observées et la magnitude.de l'événement sismique, mais ces corrélations sont souvent associées à des incertitudes très importantes, venant restreindre leur utilité pratique.
L'intensité macrosismique constatée en un lieu donné est aujourd'hui un des critères techniques utilisés par l'administration française pour définir les territoires qui seront concernés par la procédure d'indemnisation des dommages liés à une catastrophe naturelle d'origine sismique (dispositif CATNAT).
Les ondes sismiques se propagent dans l'ensemble du globe terrestre, et il est ainsi possible de détecter un séisme survenu au Japon dans les observatoires français, sous une forme certes très atténuée du fait de l'éloignement, mais néanmoins parfaitement mesurable avec les outils actuels des sismologues. Ces ondes se propagent préférentiellement et plus rapidement dans la partie rocheuse des plaques tectoniques et du manteau sous-jacent, mais à chaque point d'émergence à la surface de la terre, elles sont modifiées, et généralement amplifiées, du fait des caractéristiques géotechniques des terrains de surface.
C'est le domaine des 'effets de site', fondamentalement liés au site d'observation, et non plus à la source sismique. D'un point de vue technique très simplifié, les ondes sismiques se propagent beaucoup plus lentement dans les terrains superficiels, et pour transporter la même quantité d'énergie, leur amplitude ne peut qu'augmenter en termes de déplacement du sol. Ce phénomène est aussi associé à une modification des fréquences des ondes sismiques, potentiellement défavorable au bâti présent au point d'émergence. Ce phénomène est identifié depuis de longues années (avant 1900 : voir l'article historique dans Nature de F. de Ballore).
Plus récemment, la focalisation des ondes sismiques dans la cuvette de Mexico a été rapidement identifiée comme la source principale de la majoration des effets lors du séisme de 1985, alors que la rupture sismique était localisée le long de la cote Ouest du Mexique, à plus de 400 km. Ceci a conduit à un développement important des travaux scientifiques sur le sujet, notamment en France par ISTERRE, à Grenoble.
Les caractéristiques très locales des zones d'implantation des activités humaines constituent donc un paramètre important de l'évaluation de l'aléa sismique en un point donné, et ceci se traduit usuellement par une pénalisation forfaitaire de ces sites dans les réglementations parasismiques, éventuellement complétée selon les pays et les localités par la réalisation d'un zonage sismique local spécifique. Dans tous les cas de figure, le choix d'une implantation sur des terrains plus rigides (rocheux) doit être privilégié, quand cela est compatible avec les multiples autres critères intervenant dans les décisions d'implantation !