29 notions-clefs : les séismes

Prédire les séismes
Auteurs : Pascal Bernard(plus d'infos)
Résumé :
Les séismes : Chapitre issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Publication : 8 Avril 2014

La prédiction des mouvements forts

Il est bien sûr impossible de prévoir exactement quels mouvements du sol produira telle ou telle faille sismique. Car non seulement l’hétérogénéité des couches géologiques va brouiller le signal sismique de la faille par tous ses échos, mais aussi parce que les ondes émises par la faille sont elles-mêmes imprévisibles dans leur détail. En effet, ces ondes dépendent de la rupture chaotique de toute une population inconnue d’aspérités qui se décoincent brusquement les unes après les autres, comme dans un monstrueux effet domino : les petites aspérités, en glissant, produiront les ondes de haute fréquence, les plus grosses celles de basse fréquence…
Cependant, le nombre d’aspérités de chaque faille dépend simplement de sa longueur, et donc de la magnitude du séisme. Il est donc possible, pour un séisme de magnitude 7 par exemple, d’estimer à l’avance, en moyenne, l’énergie émise dans la gamme de fréquences entre 1 et 10 Hz, Bien sûr, on ne pourra pas prévoir le détail précis de la rupture, et on peut se tromper d’un facteur 2 dans l’amplitude des ondes émises… C’est beaucoup, me direz-vous, mais sur une échelle où les amplitudes de mouvement varient d’un facteur un million, entre un gros et un petit séisme, une telle incertitude est un moindre mal ! Sur la base de ces observations statistiques, on peut donc estimer l’amplitude des futurs mouvements du sol, et en particulier la vitesse ou l’accélération maximale de ce dernier, en fonction de la magnitude du séisme et de la distance à la faille.

La prédiction des séismes

À vrai dire, le problème n’est pas tant de savoir quelle amplitude produira le futur séisme de magnitude 6 sur telle ou telle faille, mais plutôt de savoir, au final, quelle sera cette magnitude. Car rien ne dit qu’après avoir rompu 10 km de faille, la rupture ne poursuivra pas sa progression rapide sur les segments suivants, pouvant ainsi dégénérer en un séisme de magnitude 6,5, voire 7 !
Une autre approche statistique fournit des éléments de réponse. Si l’on compte dans une région donnée, et sur une période de temps donnée, le nombre de séismes qui dépassent une certaine magnitude, on s’aperçoit que diminuer d’un point cette magnitude fait décupler le nombre de séismes. C’est la loi de Gutenberg-Richter.

Si vous souhaitez avoir une petite idée de l’origine de cette loi, requinquez-vous du reste de soupe au potiron et prenez un lot d’une dizaine de briques. Alignez-les au sol, reliez-les entre elles, de proche en proche, par des ressorts. Attachez-les chacune par un autre ressort à une longue barre, parallèle à la file. Et maintenant, tirez sur la barre. Les ressorts se tendent et, de temps à autre, une brique glisse. Souvent, deux voisines glissent en même temps ; parfois, ce sont trois briques qui glissent d’un coup ; plus rarement, quatre… Si vous poursuivez cette expérience très longtemps, vous observerez des glissades de toutes tailles ; plus précisément, le nombre de glissades de plus de N briques est en rapport constant avec le nombre de glissades avec 2N briques. Si l’on associe le nombre de briques avec la longueur d’une rupture sismique (et donc avec sa magnitude), on retrouve bien une loi de type Gutenberg-Richter : les événements sont d’autant plus rares qu’ils sont grands.


La loi de Gutenberg-Richter


Cette loi universelle relie donc la proportion entre petits et grands séismes. On peut ainsi estimer, « à la louche », qu’une rupture atteignant 10 km (produisant une magnitude 6 si elle s’arrête) a une chance sur dix de dégénérer en séisme de magnitude supérieure à 7 si elle poursuit sa propagation. Selon la sismicité de la région, il existe cependant une magnitude à partir de laquelle cette loi surestime le nombre de grands séismes : au niveau mondial, au-dessus de magnitude 8 ; en France métropolitaine, peut-être à partir de magnitude 7.
En prenant cette loi en compte, on peut calculer qu’à une frontière de plaques, la contribution globale des séismes au mouvement relatif des plaques par le glissement des failles est largement dominée par les plus fortes magnitudes. Les plus petits séismes ne seraient qu’un bruit de fond témoignant du réajustement continuel des contraintes à des échelles et sur des failles plus petites.
Cette loi permet de prédire, au premier ordre, la sismicité future d’une région. Sachant par exemple qu’à moins de 100 km de Nice, depuis cinq cents ans, on compte environ dix séismes de magnitude estimée, d’après les destructions rapportées, supérieure à 5,5, on peut prédire qu’il y a une « chance » sur dix d’avoir un séisme de magnitude 6,5 dans les cinquante prochaines années. Ces estimations ne nécessitent pas de savoir précisément où sont les failles en jeu, ni de connaître leur nombre.
Lorsque les failles sont plus actives, aux frontières des plaques, les estimations peuvent être plus directes et plus précises. Les reliefs et les déformations qu’elles produisent (décalage de lits de rivière, de moraines glacières, soulèvement de terrasses marines, etc.) – souvenez-vous de votre mixture sucre-farine –, associés à des datations judicieuses de ces structures, permettent d’estimer les vitesses moyennes de glissement de ces failles, sur des périodes de dix mille à cent mille ans. À plus court terme, comme nous l’avons vu plus haut, les antennes GPS placées à quelques dizaines de kilomètres de part et d’autre des failles montrent aussi le mouvement continu des plaques et la déformation élastique qui s’accumule au voisinage des grandes failles.
Ces mesures géologiques et géodésiques coïncident généralement : pour la faille nord-anatolienne, on trouve environ 2,5 cm par an. Cela signifie que pour produire les 5 m de glissement moyen du séisme de 1999, il a fallu accumuler deux cents ans de mise en charge tectonique. Si l’on s’intéresse au segment de cette faille situé juste à l’ouest de cette rupture, sous la mer de Marmara, qui n’a pas cassé depuis le séisme de 1755, on peut facilement calculer qu’il a largement accumulé assez de contraintes pour se relâcher dans un séisme de magnitude supérieure à 7. Istanbul et ses dix millions d’habitants n’en sont éloignés que d’une vingtaine de kilomètres : la catastrophe pourrait survenir demain, ou dans cinquante ans…
La précision en temps de telles prédictions est très floue, car le cycle sismique d’une faille est très irrégulier. Considérez le cas idéal d’une seule faille, sans interaction avec d’autres : si vous repartez promener votre parpaing au bout de sa laisse élastique, vous constaterez que ses sauts successifs pour vous suivre sont très variables, en glissement et en délai, car d’indétectables changements dans les aspérités en contact peuvent dramatiquement modifier leur résistance au glissement.

Les interactions sismiques

Il existe toutefois des situations où le sismologue peut prédire, à coup sûr, la venue imminente de séismes : c’est le cas pour les répliques qui surviennent après un grand séisme. Ces répliques sont simplement la rupture tardive d’aspérités épargnées par la rupture et celle de failles voisines. Elles sont concentrées à moins de quelques longueurs de faille du premier choc, là où les perturbations des contraintes sont les plus fortes. En effet, suivant la géométrie et le glissement de la faille rompue, de vastes zones autour de la faille principale se sont déformées un peu plus suite au séisme, tandis que d’autres se sont un peu relaxées. Ces dernières sont souvent sur les côtés de la faille, alors que les premières seront plutôt dans le prolongement de la faille. Les zones les plus déformées par le glissement sismique concentreront la plupart des répliques en leur sein, alors que les autres en seront plutôt dépourvues.
Les sismologues ont donc des outils pour prédire le lieu probable des répliques à venir. Mais que peuvent-ils dire du moment où elles surviendront ? Pour cela, ils s’appuient sur une loi plus que centenaire, découverte par le Japonais Omori, qui dit que le nombre de répliques diminue en inverse du temps : il y a dix fois moins de séismes le dixième jour que le premier. Cette loi, dont l’origine physique est encore très débattue, serait liée à la capacité des failles de glisser très lentement, avant de se déstabiliser et d’émettre des vibrations. En effet, si les failles étaient capables de réagir instantanément à une augmentation des contraintes, les répliques auraient toutes lieu au moment du séisme principal, ce qui n’est pas le cas. Le délai variable entre ce dernier et l’instant des répliques, bien décrit par la loi d’Omori, nécessite donc l’existence d’un processus lent de déstabilisation sur la faille.
Mais cette loi d’Omori ne dit rien sur les magnitudes. Toutefois, si vous l’associez avec celle de Gutenberg-Richter, la chose devient plus intéressante, car on peut alors prévoir leur distribution. Prenons un séisme de magnitude 6. Il produit en moyenne une réplique de magnitude 5 et plus, et on peut donc attendre une dizaine de séismes de magnitude 4 et plus, une centaine de magnitude 3, etc. Il n’y aurait donc pas trop à s’inquiéter, ces faibles magnitudes étant non destructrices. Hélas, il faut aussi remonter l’échelle des magnitudes : une chance sur dix d’avoir un séisme dépassant la magnitude 6, une chance sur cent qu’elle dépasse la magnitude 7. En 1960, le Chili est secoué par un très fort séisme de magnitude 8,1. Le jeune directeur de l’Observatoire sismologique de Santiago se veut aussitôt rassurant pour la population, sur la magnitude plus faible des répliques à venir ; le lendemain survenait le plus grand séisme du xxe siècle, de magnitude 9,5 !
Ainsi, il est vite apparu aux sismologues que cette capacité d’un séisme d’en déclencher un autre ne se limitait pas aux séquences de répliques ordinaires : parfois, le séisme n’est que le précurseur d’un séisme bien plus gros ; d’autres fois, les séismes se succèdent en grand nombre avec des magnitudes voisines, formant des essaims qui peuvent durer des jours ou des années ; enfin, certaines « répliques » peuvent être déclenchées très loin de la faille, là où les très faibles déformations du premier choc ne sauraient généralement déclencher de nouvelle rupture.
Toute cette « zoologie » sismique, mystérieuse, est au coeur des recherches et des débats actuels sur la prédiction à court terme. Car ces essaims sismiques, parfois ressentis, parfois tout juste détectés par les sismomètres les plus sensibles, ne seraient-ils pas capables de déclencher des ruptures destructrices par effet de cascade ? Ne seraient-ils pas plutôt les prémices de la fracturation prochaine de quelque grosse aspérité en phase d’affaiblissement, dernier verrou d’une faille prête à casser ? Quoi qu’il en soit, il apparaît clairement que la moitié des grands séismes californiens des dernières décennies ont été précédés, moins d’un mois avant, et à moins de 10 km de distance, par des séismes « précurseurs »… Mais comment distinguer ces précurseurs de l’activité sismique normale ? La polémique est vive sur cette question fondamentale et aucune réponse convaincante n’est encore en vue !
Pour compliquer le tableau – et aussi peut-être pour l’éclairer –, certains suggèrent que ces essaims sismiques soient contrôlés par des glissements lents et silencieux sur les failles, avant-coureurs de leur déstabilisation. Ces effets de glissement présismique ont été mesurés en laboratoire sur de petites fractures, et prédits théoriquement. Ils permettent aussi, nous l’avons vu, d’expliquer la loi d’Omori des répliques. Ainsi, lorsque vous cherchez à déplacer la brique en tirant sur sa laisse élastique, elle devrait se mettre à glisser lentement de quelques microns peu avant de s’élancer vers vous. Pour les grandes failles, ce glissement asismique peut atteindre plusieurs centimètres, et produire des effets détectables en surface avant la rupture sismique destructrice. C’est ainsi que l’on peut interpréter les dizaines de petits séismes, pour certains ressentis, survenus dans les trois mois précédant le séisme de L’Aquila de 2009 ; une concentration de séismes sur moins de 10 kilomètres, coïncidant avec la position de la faille qui allait rompre le 6 avril…
Enfin, pour corser encore les affaires, des chercheurs font intervenir l’eau souterraine baignant les pores et fissures des roches jusqu’au coeur des failles, là où une augmentation de sa pression peut favoriser le décoincement des parois, faciliter la percolation de cette eau vers la surface, via la faille, et accélérer ainsi la déstabilisation sismique. Les émissions souterraines de gaz radon observées avant le séisme de L’Aquila de 2009 pourraient bien être les révélateurs de cette « fuite » dans la faille, conséquence de son glissement en profondeur – à associer bien sûr à la crise microsismique décrite plus haut. Mais aucun modèle théorique ni empirique fiable, statistiquement validé, ne permet d’évaluer la probabilité que ce type de crise dégénère en un grand séisme – ou au contraire s’éteigne sans rupture majeure, ce qui arrive, heureusement, le plus souvent… Les chercheurs ne sont pas au bout de leurs peines.
Glissements lents, effet de pression des eaux souterraines, ruptures sismiques : voilà les ingrédients dont les interactions méconnues seront au coeur des futures théories de la genèse des séismes…

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