Savoir et comprendre

Lors de son occurrence, un séisme libère de l’énergie sous forme d’ondes sismiques qui se propagent dans la Terre depuis le foyer du séisme jusqu’à la surface. Au cours de ce trajet, ces ondes traversent des milieux géologiques aux propriétés mécaniques (densité, vitesse de propagation des ondes sismiques,…) différentes. Ainsi, les couches géologiques profondes (par exemple, sol dur de type calcaire, granite, basalte) sont caractérisées par des vitesses de propagation des ondes sismiques et des densités plus élevées que celles des couches géologiques superficielles (par exemple, sol mou ou meuble de type alluvion, sable, d’épaisseur métrique à hectométrique, voire kilométrique dans certains cas). Un tel contraste de propriétés mécaniques peut mener au piégeage local des ondes sismiques près de la surface (Figure 1).
 

L’effet de site est le terme utilisé pour décrire la modification du mouvement sismique induite par les couches géologiques superficielles. La Figure 1 présente des exemples de configurations géologiques propices aux effets de site.
 

Les effets de site se traduisent fréquemment par une augmentation de l’amplitude et de la durée de la secousse sismique. Ce phénomène est observé en comparant les mouvements du sol enregistrés par deux capteurs proches, l’un localisé sur un sol dur (rocher calcaire crayeux) et l’autre sur un sol mou (alluvion) comme le montre la Figure 2. Ce phénomène peut également être mis en évidence par des modélisations numériques de la propagation des ondes sismiques dans certaines configurations géologiques, comme une ancienne vallée glaciaire (Figure 3). 
 

Figure 1 : Schéma illustrant différentes configurations géologiques locales susceptibles de modifier la propagation des ondes sismiques qui les traversent.

Le signal sismique au-dessus de chaque configuration illustre schématiquement l’amplification des ondes associée. Sur cet exemple, le mouvement au rocher (référence) n’est pas affecté par les effets de site. De gauche à droite : mouvement amplifié par une topographie (rouge), mouvement de référence (noir), mouvement amplifié par des couches géologiques superficielles à faible vitesse (bleu), mouvement amplifié par une cuvette sédimentaire (jaune) et mouvement amplifié par des couches géologiques superficielles épaisses (vert). Les couleurs dans le milieu géologique indiquent des ordres de grandeur des vitesses des ondes de cisaillement (Vs). Les ondes de cisaillement sont les vibrations sismiques les plus énergétiques et dommageables aux bâtiments. La vitesse de propagation des ondes de cisaillement dans la Terre est un paramètre important pour évaluer les effets de site. (Crédit IRSN)
 

 
Figure 2 : Mouvements du sol enregistrés (exprimés en vitesse) par deux stations sismologiques en Gironde, déployées par l’IRSN dans le cadre d’une campagne de mesures.

Le séisme enregistré est celui d’Amatrice, en Italie, du 24/08/2016, de magnitude 6. Les stations sont proches l’une de l’autre mais reposent sur des sols de nature différente : IRS06 repose sur le rocher (sol dur) et IRS05 est installée sur des sédiments (sol meuble). Dans ce cas, les effets de site observés sont dus à une forte épaisseur de sédiments (configuration verte dans la figure 1).
 

Figure 3 : Illustration du piégeage des ondes sismiques dans une structure géologique complexe (Bonilla et al., 2006). Les ondes sismiques se réfléchissent dans le bassin ce qui se traduit par une augmentation de l’amplitude et de la durée de la secousse sismique par rapport au rocher à l’extérieur du bassin. Ces images sont issues d’une simulation numérique de la propagation des ondes sismiques. (Crédit IRSN)

À l’échelle locale, de tels effets de site peuvent expliquer la localisation des dégâts provoqués par les tremblements de terre. Par exemple, la ville de Mexico a plusieurs fois subi au cours de son histoire récente (1985 et 2017) des dégâts importants liés à des effets de site dus à sa localisation sur un ancien lac remplis de sédiments très meubles. En France, à titre d’exemple, les villes de Grenoble et Nice construites en partie sur des vallées sédimentaires sont également concernées par les effets de site (plus d'information : ​ISTerre).
 

Le passage d’ondes sismiques de forte amplitude peut aussi influencer le comportement mécanique du sol. Ainsi, dans certains cas (milieu sableux et saturé en eau), le sol peut perdre tout ou partie de sa résistance au cisaillement lors du passage des ondes sismiques: un phénomène de liquéfaction est alors observé (plus d'information). Des simulations numériques peuvent être réalisées afin de comprendre les phénomènes physiques en jeu lorsqu’une onde de forte amplitude traverse une couche sableuse saturée en eau (figure 4).
 

Figure 4 : Mouvement sismique enregistré (noir) et calculé par simulation numérique (rouge) pour un site comportant une couche sableuse saturée en eau (Oral et al., 2017). Les trois colonnes correspondent à différentes directions du mouvement sismique (EW, NS, vertical). (Crédit IRSN)
 

Pour réaliser des simulations numériques de la propagation des ondes sismiques dans les couches géologiques superficielles, une bonne caractérisation des propriétés de ces couches sous le site d’étude est nécessaire (notamment vitesse des ondes sismiques et géométrie des structures géologiques). La réalisation de campagnes de mesures géophysiques et géotechniques permet d’obtenir de telles informations. Par exemple, des capteurs sismologiques peuvent être déployés sur le terrain, permettant de déterminer de manière non destructive les vitesses de propagation des ondes dans les couches géologiques superficielles jusqu’à des profondeurs de l’ordre de la centaine de mètres. Un exemple de résultat est présenté sur la figure 5.
 

 

Figure 5 : A gauche, exemple d’évolution de la vitesse des ondes de cisaillement en fonction de la profondeur (profil) déterminée à partir d’une campagne de mesures géophysiques réalisée par l’IRSN. Les couleurs donnent des indications sur la qualité des profils : plus la couleur est grise, plus le profil est proche des mesures réalisées sur le terrain. A droite, mesure sismique sur le terrain à l’aide de sismomètres dans la région du Tricastin. (Crédit IRSN/EM. CUSHING).