Force d'un séisme

De Comment mesure-t-on ?
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Crayon.png En bref: Cette page est dédiée à la mesure de la force d’un séisme. On entend souvent parler de l’échelle de Richter, mesure la plus connue, mais que représente-t-elle vraiment ? Et comment traite-t-on les données d’un séisme pour le classer sur cette échelle ? Cette page aborde également les autres mesures de la force sismique.
Pour commencer, un séisme est provoqué par une rupture dans la croûte terrestre, ce qui créé les secousses que nous ressentons. La force du séisme est caractérisée par 2 grandeurs : la magnitude et l’intensité. La magnitude renseigne sur l’énergie libérée lors de la rupture en profondeur, tandis que l’intensité caractérise les dégâts provoqués en surface. En fonction de la démographie et du type d’infrastructures, les dégâts sont plus ou moins importants, l’intensité diffère donc d’un lieu à l’autre. Ainsi, l’intensité est une propriété locale du séisme. En revanche, la magnitude est une propriété intrinsèque au séisme.

Introduction

Schéma représentant un séisme (d est la quantité de glissement) (création : A.Fontanet)



Un séisme est provoqué par une rupture dans la croûte terrestre, engendrant une faille et un mouvement du sol que l’on appelle glissement. Le point où a lieu la rupture est appelé le foyer. Des ondes sismiques se propagent depuis le foyer, jusqu’en surface où nous ressentons les secousses. La force de ces secousses dépend de plusieurs paramètres : l’énergie libérée lors de la rupture, les types de roches traversées par les ondes, et notre distance à l’épicentre. L’épicentre est la projection du foyer sur la surface du globe terrestre. Plus nous sommes loin de l’épicentre, moins nous ressentons les secousses, car les ondes sont atténuées pendant leur propagation dans les roches.

La force d’un séisme est caractérisée par 2 grandeurs : la magnitude et l’intensité. La magnitude renseigne sur l’énergie libérée au foyer, tandis que l’intensité est liée aux dégâts provoqués en surface. Ainsi, un séisme possède une seule magnitude, mais peut avoir plusieurs intensités selon les lieux où sont ressenties les secousses. En effet, en fonction de la démographie et du type d’infrastructures, les dégâts sont plus ou moins importants, et donc l’intensité est différente.


On retient :
Magnitude = propriété intrinsèque
Intensité = propriété locale




La magnitude

La magnitude caractérise l’énergie libérée par la rupture de la croûte terrestre au niveau du foyer. Elle se calcule à partir de l’amplitude des mouvements du sol, enregistrés par les sismographes.

L’instrument de mesure : le sismographe

Photographie d'un sismographe (source : Flickr)
Schéma d'un sismographe (source : Wikimedia)

Le sismographe est l’instrument permettant de mesurer la magnitude d’un séisme. Il contient un sismomètre, qui capte les mouvements du sol. Le sismomètre est composé d’une masse très lourde à laquelle est fixée une tige capable de coulisser à l’horizontal et à la verticale. Lorsque le sol tremble, la masse reste immobile mais la tige bouge. Le mouvement de cette tige, provoqué par les secousses, permet de tracer les sismogrammes, qui représentent les mouvements du sol en fonction du temps.
Sur les sismogrammes, on peut lire l’amplitude des ondes sismiques, leur heure d’arrivée à la station d’enregistrement, et en déduire la position de l’épicentre. Ces données permettent le calcul de la magnitude, et sont accessibles très rapidement après un séisme, ce qui permet de prévenir la population locale en cas de danger, notamment de tsunami.

Exemple de sismogramme (source : Azurseisme)



Triangulation d'un épicentre (création : A.Fontanet)


Pour trouver la position de l’épicentre à partir de sismogrammes, on utilise la méthode de triangulation. Pour cela, il faut les données obtenues par des sismogrammes situés dans au moins 3 stations d’enregistrements différentes.
Les sismogrammes permettent d’identifier l’instant d’arrivée de deux types d’ondes sismiques : les ondes P et les ondes S. Les ondes P arrivent toujours en premier, elles correspondent donc à la première secousse sur les sismogrammes. Les ondes S arrivent ensuite, et provoquent des mouvements du sol plus importants. Sur un sismogramme, on peut donc identifier leur arrivée comme le moment où l’amplitude devient beaucoup plus importante.
Ainsi, pour une station donnée, on identifie l’instant d’arrivée des ondes P et l’instant d’arrivée des ondes S. L’écart de temps entre leurs arrivées est alors reporté dans la table de Jeffreys-Bullen. Cette table permet, en prenant en compte la vitesse des ondes P et S dans la roche, d’obtenir la distance que les ondes ont parcourue. Il est possible de consulter la table de Jeffreys-Bullen sur internet : <http://www.labosvt.com/download-file-40.html>
On peut finalement tracer un cercle autour de la station d’enregistrement, de rayon r la distance que les ondes ont parcourue. On sait que l’épicentre doit se situer sur ce cercle. Avec 3 cercles, on trouve l’épicentre à leur intersection.


Echelles et calcul de magnitude

Il existe plusieurs échelles de magnitude. La plus connue est la magnitude locale, dite de Richter. En théorie, il n’existe ni borne supérieure, ni borne inférieure, à la valeur de magnitude sur l’échelle de Richter. Pour se faire une idée, les plus gros séismes historiquement enregistrés sont de magnitude 9, voire 9,5 en 1960 au Chili. Quant aux faibles séismes, on peut même enregistrer des valeurs négatives : une brique chutant d’une hauteur de 1m correspond à une magnitude de -2 ! La possibilité d’obtenir des valeurs négatives s’explique par la relation logarithmique qui relie la magnitude (M) à l’énergie (Mo) : M = 2/3.log10(M0) – 6.
Il est intéressant d’utiliser cette relation pour comparer deux séismes différents, qu’on appelle S1 et S2. On peut remarquer qu’un écart de 2 en magnitude (MS1 -MS2 = 2) correspond à une énergie sismique 1000 fois plus importante (MoS1 = 1000*MoS2).
L’énergie libérée par un séisme s’appelle le moment sismique (Mo). Le moment sismique permet de relier la magnitude aux caractéristiques propres du séisme (dimensions de la faille, quantité de glissement, types de roche). En effet, l’expression du moment sismique est M0 = μ.S.d, où μ la rigidité de la roche, S la surface ayant rompue et d la quantité de glissement (c’est-à-dire le décalage entre les deux blocs séparés par la faille). Cette dernière relation permet d’ailleurs de se convaincre que le moment sismique est bien une énergie, puisque son unité est le Joule.

NB : La précision d'une magnitude calculée à partir d’un sismographe aujourd’hui est de l'ordre de 0,25 unité de magnitude.


Exemples de séismes de différentes magnitudes

Comme la magnitude est une propriété intrinsèque des séismes, elle permet de les classifier. On présente dans le tableau ci-dessous quelques événements sismiques de différentes magnitudes, accompagnés de photographies.

Séisme Magnitude Photographie Conséquences ultérieures
Strasbourg, 2020 3,4 Pas de dégâts notables X
Ardèche, 2019 5,4
Source: azurseisme.com
X
Haïti, 2021 7,2
Source: Wikipédia
X
Japon, 2011 8,9
Source: Flickr
Tsunami, endommagement d'une centrale nucléaire
Chili, 1960 9,5
Source: blockspot.com
Tsunami, irruption volcanique

L’intensité

L’intensité est liée aux effets des secousses en surface. Il s’agit d’une propriété locale. En effet, elle diffère d’un lieu à l’autre car les dommages causés dépendent de la densité de population et du type d’infrastructure.

Echelles d’intensité

Pour mesurer l’intensité, les sismologues ont créé des échelles qui caractérisent le niveau de dégâts provoqués localement par un séisme. L’échelle la plus commune est l’échelle MSK, du nom de ses créateurs (Medvedev, Sponheuer et Karnik).

Echelle MSK
Intensité Dégâts
I Secousse non ressentie par les habitants mais détectée par les sismographes
II Secousse partiellement ressentie, surtout par les personnes au repos ou en étage élevé
III Secousse faiblement ressentie, balancement des objets suspendus
IV Secousse largement ressentie, tremblement des objets
V Secousse forte, chute d’objets
VI Frayeur des habitants, fissures dans les murs
VII Dommages importants, larges fissures dans les infrastructures
VIII Dégâts très importants, destruction de certains bâtiments peu robustes
IX Destruction de bâtiments robustes, chute de monuments
X Destruction de toutes les bâtiments non parasismiques
XI Catastrophe majeure, destruction générale de toutes les infrastructures (bâtiments, ponts, canalisations, …)
XII Enormes modifications du paysage, crevasses dans le sol, rivières déplacées

NB : Depuis le 1er janvier 2000, la France utilise la nouvelle échelle européenne, l’échelle EMS98, variante très proche de l’échelle MSK utilisée jusqu’alors.

Echelle EMS98
Intensité Secousse Dégâts
I Imperceptible La secousse n'est perçue par personne. Seuls les sismographes la détectent.
II Très faiblement ressentie Seules quelques personnes ressentent des vibrations, surtout les personnes au repos et en étage.
III Faible Les vibrations ne sont ressenties que par quelques personnes à l’intérieur des bâtiments. Les objets suspendus se balancent légèrement.
IV Largement ressentie La secousse est ressentie à l’intérieur des bâtiments, mais très peu à l’extérieur. Elle peut réveiller les dormeurs mais n’effraie pas la population. Quelques objets peuvent trembler, ceux suspendus se balancent.
V Forte La secousse est ressentie en intérieur et par quelques personnes en extérieur. Les constructions subissent un tremblement général, certaines personnes effrayées courent hors des bâtiments. Le mobilier lourd tombe, les portes et les fenêtres battent violemment.
VI Crée de petits dommages La secousse est ressentie aussi bien en intérieur qu’en extérieur. De nombreuses personnes effrayées se précipitent à l’extérieur. Les petits objets tombent. De légères fissures apparaissent sur les constructions et quelques plâtres chutent.
VII Crée des dommages Frayeur générale. Le mobilier est renversé, les objets chutent. Les bâtiments sont fissurés.
VIII Crée des dommages importants Les constructions sont largement endommagées : importantes fissures, chutes de cheminées, et parfois effondrement partiel du bâtiment.
IX Destructive Les monuments et les statues sont déplacés. Beaucoup de bâtiments s’effondrent partiellement, certains entièrement.
X Très destructive De nombreuses constructions s’effondrent entièrement.
XI Extrêmement destructive La quasi-totalité des constructions s’effondre.
XII Catastrophique Pratiquement toutes les infrastructures au-dessus ou en-dessous du sol sont détruites.

Méthode de mesure

La méthode employée pour mesurer l’intensité varie d’un pays à l’autre. En France, la valeur d’intensité est établie à partir de questionnaires distribués aux gendarmeries, casernes de pompiers et mairies, dans les zones touchées. Ces questionnaires interrogent le témoin sur sa localisation et sa situation lors des secousses (intérieur/extérieur, debout/allongé, …), les mouvements du sol, les bruits entendus, et les effets sur les objets et les bâtiments. Ils sont établis et traités par le BCSF (Bureau Central Sismologique Français) et consultables sur internet à l’adresse :<http://svt53gt.phpnet.org/jules_renard/quatrieme/seisme/formulaire.html> Les particuliers peuvent remplir le formulaire en ligne s’ils le souhaitent, mais de préférence rapidement après le séisme, car le souvenir de la secousse doit être le plus fidèle et le plus précis possible. La fiabilité des réponses est inversement proportionnelle au temps écoulé entre le séisme et l’enquête.

Exemple de carte d'intensité (source : Azurseisme)

Pour ce qui est des zones inhabitées, on ne peut pas mesurer l’intensité, puisqu’il n’y a pas de témoin pour décrire les effets locaux du séisme.

Cartes d’intensités

Pour les séismes importants, on établit des cartes d’intensités grâce à aux questionnaires. On trace sur ces cartes des courbes d’égales intensités, appelées isoséistes. On constate que l’intensité dépend de la distance à l’épicentre, ou plus précisément de la distance au foyer. Plus on s’éloigne du foyer, plus l’intensité diminue. En fait, plus la distance que parcourent les ondes sismiques est grande, plus elles sont atténuées au cours de leur propagation dans les roches. Par conséquent, les ondes provoquent une secousse plus faible, et donc moins de dégâts, en s’éloignant de l’épicentre.
Ces cartes permettent ainsi d’identifier les variations spatiales des effets produits par le séisme. Cela peut conduire dans certaines zones à des prises de décisions importantes, comme l’établissement de normes parasismiques pour les bâtiments, ou le déclenchement de la procédure Catastrophes Naturelles.


Résumé
Propriété Méthode de mesure Echelle Utilité
MAGNITUDE Intrinsèque Sismographe Richter Classification des séismes
INTENSITE Locale Questionnaire du BCSF MSK ou EMS98 Evaluation des dégâts


Un peu d’Histoire

Qui était Charles François Richter ?

Charles François Richter (source : Wikipédia)

Charles François Richter est un sismologue et physicien américain. Il est né le 26 avril 1900 en Ohio, et mort le 30 septembre 1985 en Californie. Il est connu pour l’invention de l’échelle de mesure sismique qui porte son nom : l’échelle de Richter. Après avoir obtenu un doctorat en physique théorique au ""California Institute of Technology"" en 1928, il accepte de diriger un laboratoire de sismologie à Pasadena (Californie). C’est en 1935 qu’il publie ses travaux sur la mesure de la force d’un séisme, qui permettent d’estimer l’énergie libérée lors de la rupture. Avant ces travaux, la seule manière de mesurer la force sismique était l’intensité. Richter a donc apporté une contribution importante aux études sismologiques, en créant une échelle applicable partout et qui permet de classer les séismes de façon plus rigoureuse : la première échelle de magnitude.

Reconstitution du sismographe de Zhang Heng (source : CCDMD (Centre Collégial de Développement de Matériel Didactique))


Comment étaient les premiers sismogrammes ?

Le premier prototype de sismographe connu remonte à l’an 132 et a été inventé par un scientifique chinois, Zhang Heng. Très différent des sismographes actuels, il s’agissait d’un récipient en bronze contenant une boule, et orné de huit dragons et huit grenouilles alignés sur les points cardinaux. Lorsque les secousses arrivaient, la boule tombait de la bouche du dragon aligné dans la direction de l’épicentre, et était récupérée dans la bouche de la grenouille correspondante. Cela permettait de savoir qu’un séisme avait eu lieu, et de savoir dans quelle direction envoyer de l’aide.
Le premier sismographe européen date quant à lui du XVIIIème siècle. Il s’agissait d’un récipient rempli à ras-bord de mercure. Les ondes sismiques faisaient déborder le liquide. En fonction de la localisation du débordement et de la quantité de liquide tombé, il était possible de connaître la direction et la distance de l’épicentre.





Sources

Risques sismiques et installations nucléaires – Comment mesure-t-on la force d’un séisme (page 3) publié par l’IRSN (Institut de Radioprotection et de sûreté nucléaire). Disponible sur internet : <https://www.irsn.fr/FR/connaissances/Installations_nucleaires/La_surete_Nucleaire/risque_sismique_installations_nucleaires/Pages/2-Comment_mesure-t-on_la_force_des_seismes.aspx#.Yr1mzxXP1PZ>


Exploiter les métadonnées de sismogrammes en SNT et SVT, publié par l’Académie de Nice le 02/02/20. Disponible sur internet : <https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/?p=1874>


La magnitude d’un séisme : définitions, déterminations, publié par Olivier Dequincey le 19/03/2010 sur Planet Terre – ENS Lyon. Disponible sur internet : <https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/seisme-magnitude-moment-energie.xml>


Magnitude et intensités des séismes, publié par le Service Educatif de l’OMP (Observatoire Midi-Pyrénées). Disponible sur internet : <https://edu.obs-mip.fr/magnitude-et-intensite-des-seismes/>


Intensité d’un séisme, publié par le Musée de sismologie et collections de géophysique. Disponible sur internet : <http://musee-sismologie.unistra.fr/comprendre-les-seismes/notions-pour-petits-et-grands/notions-de-base/intensite-dun-seisme/#:~:text=Intensit%C3%A9%20d%27un%20s%C3%A9isme.%20L%E2%80%99intensit%C3%A9%20d%E2%80%99un%20s%C3%A9isme%20d%C3%A9pend%20du,s%C3%A9isme%20mais%20varie%20aussi%20selon%20la%20structure%20g%C3%A9ologique>


Enquêtes macrosismiques, BCSF. Disponible sur internet : <https://www.franceseisme.fr/doc/enquetes.html>


Le premier sismographe de l’Histoire, Fiche scientifique – « Réseau SISMOS à l’école », publié par Sciences à l’Ecole. Disponible sur internet : <http://www.sciencesalecole.org/wp-content/uploads/2021/09/Premier_sismographe.pdf>