SÉISMES ET SISMOLOGIESismicité et tectonique des plaques

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La source sismique

Un sismogramme porte essentiellement deux types d'informations liés l'un à la propagation des ondes sismiques du foyer au point d'observation, l'autre au processus de rupture à la source sismique. Celle-ci est étudiée maintenant activement pour comprendre comment les séismes se développent, pour estimer les mouvements forts au voisinage du foyer et pour fixer les normes de réalisation des habitations et constructions à haut risque (barrages, centrales nucléaires).

Les tremblements de terre se produisent dans la partie fragile de la lithosphère. Le modèle de rebondissement élastique de H. F. Reid, construit à partir des observations géodésiques avant et après le séisme de San Francisco en 1906, est maintenant généralement admis : le mouvement relatif de deux plaques lithosphériques entraîne une déformation lente à faible distance de leur frontière avec accumulation continue de contraintes au niveau de la surface de contact qui cédera brutalement lorsque ces contraintes dépasseront la limite de résistance à la rupture des matériaux. Les données géodésiques permettent également de constater qu'en profondeur les matériaux fluent, concentrant les contraintes tectoniques dans la partie supérieure cassante de la croûte terrestre. Au cours d'un tremblement de terre, c'est donc seulement une zone superficielle très peu épaisse qui glisse de façon discontinue, l'ensemble de la Terre réagissant élastiquement. Il paraît aussi bien acquis que ce sont les parties affaiblies par des fractures anciennes qui vont rejouer préférentiellement.

Principe d'un séisme

Vidéo : Principe d'un séisme

La plupart des séismes trouvent leur origine dans la lithosphère, couche externe rigide de la Terre épaisse d'une centaine de kilomètres. Celle-ci se découpe en grandes plaques en mouvement les unes par rapport aux autres. Ces déplacements entraînent aux limites des plaques l'accumulation... 

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Si les causes des séismes sont assez bien expliquées pour leur plus grande part par la tectonique des plaques, le mécanisme de la rupture est encore l'objet de recherches très actives. Le faible nombre de données, particulièrement en champ proche, impose de modéliser la source sismique avec des modèles très simples dépendant d'un petit nombre de paramètres.

On considère que les processus anélastiques ne concernent qu'une zone réduite autour du foyer et que la radiation des ondes sismiques résulte des contraintes équivalentes nécessaires pour produire les déformations dans les zones, extérieures à la source, où les lois de l'élasticité sont vérifiées : on appelle densité de moment sismique le tenseur des contraintes équivalent. Les sismologues utilisent généralement un modèle de double couple sans moment pour caractériser les sources sismiques. Dans la plupart des applications, l'approximation d'une source ponctuelle est suffisante, surtout lorsqu'on s'intéresse à des périodes de quelques secondes ou dizaines de secondes.

Pour expliquer les observations sismiques, les sismologues introduisent des modèles simples. Dans le modèle de boucle de dislocation, le séisme est simulé par une discontinuité du déplacement de part et d'autre d'un plan de faille et sur une surface géométriquement simple (rectangle ou cercle). C'est un modèle essentiellement cinématique, où la dynamique de la rupture est négligée et où n'intervient que l'évolution dans le temps du glissement. Cette solution est incompatible avec la mécanique des milieux continus puisqu'il y a pénétration de la matière sur les bords de la surface de dislocation.

Aussi les modèles dynamiques commencent-ils à être développés en s'appuyant sur la mécanique de la rupture des roches : une fissure en cisaillement se propage à partir d'un noyau, à relativement grande vitesse, en libérant les contraintes exercées sur la surface jusqu'à une valeur résiduelle, la friction. La fracturation se poursuit lorsque la contrainte en bout de fissure dépasse un niveau fixé suivant un critère objectif : on considère que l'énergie accumulée élastiquement doit être au moins égale à celle qui est nécessaire à la création de nouvelles surfaces. Dans un milieu homogène, uniformément contraint, la fissure se propage indéfiniment. Il faut un mécanisme d'arrêt, par exemple l'existence d'hétérogénéités locales de la résistance à la rupture du matériau (barrières) ou du champ de contrainte (aspérités). L'arrêt brutal de la rupture engendre de fortes ondes sismiques à l'intérieur de la fissure qui vont stopper le développement du glissement. Comme le jeu d'une faille se fait sous forte contrainte normale en compression, la friction va empêcher l'inversion de sens du glissement qui pourra se faire par saccades successives.

L'hétérogénéité introduite pour stopper la rupture dans ces modèles de sources dynamiques permet d'expliquer la complexité observée sur les sismogrammes des grands séismes ou celle de la distribution spatiale des répliques localisées avec précision par des réseaux portables de sismomètres installés après des chocs majeurs : le tremblement de terre d'El-Asnam le 10 octobre 1980 est l'exemple d'un séisme complexe comprenant une succession de trois chocs, affectant des parties différentes de la faille. Keiiti Aki a proposé un modèle avec des zones à plus grande résistance à la rupture appelées barrières. Lorsque le front de rupture atteint cette barrière, la vitesse de propagation est ralentie ou même annulée, la rupture pouvant reprendre au-delà, laissant intacte une partie de la faille qui pourra céder lors de répliques ultérieures. Hiroo Kanamori a introduit un modèle avec des aspérités, les zones où se concentrent les contraintes dues à des séismes antérieurs ou à un glissement asismique (fluage par exemple). On peut considérer aussi un modèle mixte à partir de ces deux types de base. Ces modèles permettent d'expliquer pourquoi le relâchement des contraintes observé après les séismes est si faible (10 à 100 bars), alors que les mesures de laboratoires conduisent à des valeurs dépassant 1 kilobar pour obtenir la fracturation. La chute de contrainte mesurée par les sismologues serait une moyenne calculée sur l'intégralité de la faille et non pas sur les zones significatives considérées dans les modèles avec barrières ou aspérités. Trop peu de données sont actuellement disponibles pour permettre de progresser plus rapidement dans la compréhension du mécanisme des processus à la source des séismes. Des réseaux plus nombreux de sismomètres et d'accéléromètres (appareil de mesure des mouvements forts dans les zones sismiques) sont indispensables pour progresser dans la prévention et la prévision des séismes.

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Tremblement de terre à Skopje

Tremblement de terre à Skopje
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Sismicité de la France

Sismicité de la France
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Briançonnais : épicentres des séismes de 1977

Briançonnais : épicentres des séismes de 1977
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Séisme d'el-Asnam, en 1980

Séisme d'el-Asnam, en 1980
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Pour citer l’article

Roland GAULON, Jean-Pierre ROTHÉ, « SÉISMES ET SISMOLOGIE - Sismicité et tectonique des plaques », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/seismes-et-sismologie-sismicite-et-tectonique-des-plaques/