Seismes

1- Séisme

Qu'est-ce qu'un séisme ?

Physiquement, un séisme est le résultat d'un mouvement brusque de deux blocs de roc le long d'une cassure (faille) située en profondeur dans l'écorce terrestre. Après de très forts séismes, ce mouvement peut être visible en surface.

Dans l'est du Canada, de tels glissements le long de failles se sont toujours produits dans l'écorce terrestre. Bien que de nombreuses failles anciennes dans cette région soient visibles à la surface, aucune donnée ne démontre que nous sommes en présence de failles actives. Ces failles sont le résultat de mouvements géologiques produits sur des millions d'années d'histoire géologique. La présence de ces failles ne signifie pas pour autant que des séismes pourraient survenir à ces endroits.

Beaucoup de gens croient à tort que, lors des séismes, le sol s'entrouvre pour engloutir de malheureuses victimes. Cette conception des séismes, bien incrustée dans notre subconscient, ne correspond aucunement à la réalité; on la doit plutôt à l'imagination des producteurs d'Hollywood.

Après un fort séisme, il se peut que des fissures apparaissent sur le sol ou dans les sous-sols. Il ne s'agit pas de failles, ni de crevasses qui se refermeront. Ces fissures sont probablement apparues en raison du tassement du sol que les vibrations ont causé.

Qu'est-ce qui cause les séismes le long des limites de plaques tectoniques ?

Les séismes sont causés par la déformation de la partie supérieure cassante des plaques tectoniques, qui constituent la partie externe de l'écorce et du manteau de la Terre. En raison du réchauffement et du refroidissement de la roche sous ces plaques il y a de la convection dans le manteau (sous l'écorce). Cette convection entraîne les plaques de l'écorce qui «flottent» sur le manteau et quand deux plaques se rencontrent, il y a une accumulation de contraintes et l'écorce se déforme. Les plaques se déplacent à des vitesses de 2 à 12 cm par année. Quelquefois, il y a une accumulation énorme d'énergie dans une plaque, ou dans des plaques voisines. Si les contraintes accumulées dépassent la résistance de la roche dont sont constituées les plaques cassantes, les roches se brisent soudainement, et relâchent l'énergie accumulée sous la forme d'un séisme. Quatre-vingt-dix pour cent des séismes du monde se produisent le long des contacts entre les plaques.

Comment les séismes causent-ils des dommages?

C'est la secousse du sol qui cause la plupart du dommage associé aux séismes. Des considérations qui déterminent la quantité de secousse du sol qui peut se produire à un site particulier comprennent la magnitude ou taille (quantité d'énergie émise) d'un séisme, la distance au séisme, la profondeur du séisme, type de faille, et type de sol. Dans les endroits où il existe un enregistrement extensif d'activité sismique, on peut souvent estimer ces paramètres.

En général, des forts séismes produisent des mouvements du sol de grande amplitude et de longue durée. Des forts séismes produisent aussi de la fort secousse qui étend au travers des régions plus extensives que ceux des plus petits séismes. L'amplitude du mouvement du sol diminue quand la distance au point focal du séisme augmente. La fréquence des ondes change aussi par rapport à la distance. Plus près de l'épicentre, deux types de mouvement sont présent: des mouvements de haute fréquence (rapides), et ceux de basse fréquence (lentes). Plus loin, des mouvements de basse fréquence dominent, ce qui est une conséquence naturelle de l'atténuation des ondes dans la roche. La fréquence du mouvement du sol est une considération prioritaire pour déterminer le niveau du dommage aux structures et quelles structures sont affectés.

Est-ce que la terre s'ouvre pendant un séisme?

Non! Une idée fausse mais fréquemment crue c'est qu'un trou s'ouvre dans le sol pour avaler des victimes malheureuses. Cela n'a aucun rapport à la réalité mais c'est la version des séismes de Hollywood. Après un fort séisme, quelques fentes peuvent apparaître dans le sol ou aux sous-sols. Ceux-ci ne sont pas des failles, ni des crevasses prêtes à refermer. C'est probablement le tassement du sol à cause de la secousse qui les a produites.

Où est-ce que les séismes se produisent?

Les séismes se produisent à travers le monde; Néanmoins, la plupart se produisent au long des failles actives qui définissent les plaques tectoniques majeures de la terre. Quatre-vingt dix pourcent des séismes de la terre se produisent au long les limites de ces plaques (qui comprennent environ 10% de la surface de la terre). Le "cercle de feu" autours l'océan pacifique, et qui comprend la côte ouest du Canada, est une des régions les plus actives au monde.

D'autres secousses suivent-elles un fort séisme?

Dans les heures ou même les jours suivant un séisme fortement ressenti, il est possible que d'autres secousses soient ressenties. Cette possibilité existe toujours, mais il faut rappeler les quatre faits suivants:

1. Dans la plupart des cas, ces secousses (appelées répliques) seront plus faibles; les vibrations seront donc moins fortes.
   
2. Ces répliques n'annoncent pas un séisme plus fort.
   
3. Les répliques sont un phénomène normal; elles indiquent un rajustement de l'écorce terrestre après le séisme principal.
   
4. Le nombre de répliques ressenties est fort variable et, donc, imprévisible. Il peut y en avoir quelques par jour ou seulement quelques par semaine.

Il est impossible de prévoir la magnitude ou le nombre des répliques. Ces données varient d'une région à l'autre, suivant des facteurs qui sont encore mal connus, même des spécialistes. Peut-on prévoir les séismes ?

Dans l'état actuel des connaissances scientifiques, il n'est pas possible de prévoir les séismes, encore moins la date, l'heure et le lieu exacts où ils se produiront. Cependant, de nombreuses recherches sont entreprises pour mettre au point des méthodes fiables permettant de les prévoir.

Néanmoins, le Canada et bon nombre de pays s'efforcent de réduire au minimum les dommages et les blessures causés par les séismes, en mettant en application des normes parasismiques modernes de manière à protéger leur population en tout temps et en tout lieu.

Est-ce que les séismes se produisent plus souvent quand il fait froid?

Quoique l'action du froid ait des effets importants près de la surface, il n'a aucun effet en profondeur là où se produisent les séismes. Près de la surface, l'action du gel et du dégel peut affaiblir et briser la roche sous la pression de l'eau qu'elle contient. Par contre, il s'agit d'un phénomène limité à la surface.

Y a-t-il des mois de l'année qui sont particulièrement actifs pour les séismes?

Non, il n'y a pas de mois particulièrement actifs pour les séismes.

Si on examine la liste des séismes canadiens ou mondiaux, on remarque qu'il n'y a pas de saison qui se distingue particulièrement des autres en ce que concerne le nombre des séismes.

Cette situation s'explique par le fait que les mécanismes qui engendrent les séismes ne dépendent pas de l'écart de température entre les saisons (voir effet du froid sur les séismes), ni de la position de la Terre dans le système solaire à différentes périodes de l'année. Ils sont créés par des forces géologiques bien plus puissantes.

La plupart des grands séismes résultent du mouvement d'immenses plaques continentales appelées plaques tectoniques qui se déplacent les unes par rapport aux autres. Le moteur de ces mouvements se retrouve dans le manteau de la Terre sous forme de courants de convection. Ces courants entraînent les plaques tectoniques engendrant séismes et éruptions volcaniques. C'est le relâchement de tension accumulée de part et d'autre d'une faille qui cause les séismes. Autant les mouvements des plaques que l'accumulation de contrainte le long des failles sont des processus continus qui ne dépendent pas de la période de l'année.

Comme la distance entre la Terre et le Soleil change au cours d'une année à cause de la forme elliptique de sa trajectoire terrestre autour du Soleil, on pourrait croire que les forces d'attraction gravitationnelles entre ces deux astres pourraient engendrer des tensions supplémentaires dans l'écorce terrestre. Cependant, des modélisations de ces contraintes ont montrés que cet ajout n'est pas significatif par rapport à l'ampleur des forces tectoniques.

Comme ces forces constituent le seul effet potentiel des saisons sur les séismes, nous devons écarter les saisons comme un facteur qui influence la fréquence des séismes.

Considérons l'exemple d'une galerie de mine. La température à l'intérieur d'une mine va être influencée par la température extérieure sur les 50 premiers mètres seulement. Si on va plus profondément, la température sera contrôlée par la chaleur interne de la terre et, pour une profondeur donnée demeurera relativement constante à longueur d'année.

Les séismes qui commencent en surface sont très rares. Le foyer d'un séisme (lieu où se produit le mouvement le long d'une fracture dans le roc) est généralement situé à plusieurs kilomètres de profondeur (généralement entre 5 et 30 km dans l'est du Canada), là où la température de surface n'a aucune influence. Le foyer du séisme qui s'est produit au Saguenay en 1988 était localisé à une profondeur de 28 kilomètres, où la température demeure constante à environ 300°C.

De plus, les principaux processus causant les séismes (mouvements des plaques tectoniques, volcanismes, etc.) sont des phénomènes à très grande échelle qui ne sont pas influencés par la température régnant à la surface.

Toutefois, près des lacs et des rivières, lorsque les températures ambiantes descendent sous les -20°C, de nombreuses petites secousses peuvent être entendues et parfois même ressenties. Ces secousses ne sont pas des séismes, elles sont causées par la glace qui craque et par le mouvement des blocs de glace les uns contre les autres. Ces secousses (appelées cryoséismes) ne peuvent être ressenties que très près du plan d'eau. On peut parfois détecter de tels craquements de glace sur un sismographe situé a proximité du plan d'eau.

Exemple d'un cryoséisme. Trace sismique typique d'un cryoséisme enregistré sur la composante verticale du poste sismographique SADO (Sadowa, Ontario, près du lac Huron et de la Baie Georgienne) le 18 janvier 2000 à 18h55 par un soir de grand froid (on a dénombré 12 cryoséismes dans l'intervalle de 2 heures ce soir-là). Un sismologue reconnaîtrait immédiatement la nature d'un tel événement par son contenu mono-fréquentiel.

2- Magnitude

Qu'est-ce que la magnitude d'un séisme ?

La magnitude est une mesure de la quantité d'énergie libérée pendant un séisme. On peut mesurer cette énergie sur l'échelle de Richter. Pour calculer la magnitude, on mesure l'amplitude des ondes enregistrées sur un sismogramme, en tenant compte de la distance entre l'appareil enregistreur et l'épicentre du séisme. La magnitude étant représentative du séisme lui-même, il n'y a donc qu'une valeur de magnitude par séisme.

Prenons comme exemple le séisme du Saguenay survenu le 25 novembre 1988. On n'a pas enregistré une magnitude de 6 à Québec et une autre de 4 à 5 à Montréal; les effets (ou intensités) aux deux endroits ont été différents, mais la magnitude du séisme est représentée par une valeur unique, en l'occurrence 6 sur l'échelle de Richter.

L'échelle de Richter est basée sur une relation logarithmique. Cela signifie qu'à distance égale, l'amplitude des vibrations d'un séisme de magnitude 6 est 10 fois plus élevée que celle d'un séisme de magnitude 5, et 100 fois plus élevée que celle d'un séisme de magnitude 4.

Un séisme de magnitude 6 libère environ 30 fois plus d'énergie qu'un séisme de magnitude 5, et environ 1000 fois plus d'énergie qu'un séisme de magnitude 4.

Il est très peu probable qu'un séisme de magnitude inférieure à 5 cause des dommages.

Quelle est la différence entre la "magnitude" et l'"intensité" d'un séisme?

L'intensité décrit les effets d'un séisme, à un endroit donné, sur des objets naturels, sur des installations industrielles et sur les êtres humains. L'intensité diffère de la magnitude, qui est liée à l'énergie relâchée par un séisme.

Quelle est la différence entre les magnitudes ML et mN?

Sans entrer dans les détails sismologiques, disons que la magnitude telle que définie par Charles Richter est la source de toutes les échelles de magnitude. Au fil des ans cependant, on s'est aperçu que la magnitude de Richter définie pour la Californie (ML signifie magnitude locale), ne s'appliquait pas à l'Est de l'Amérique du Nord où les ondes sismiques s'atténuent différemment. Otto Nuttli, un sismologue de l'Université de Saint-Louis aux États-Unis, a mis au point une magnitude qui correspondait mieux à la réalité de l'Est de l'Amérique. C'est une des formules que Nuttli a dérivée qui est utilisée pour mesurer les séismes de l'est du Canada. La formulation utilisée est appelée Magnitude Nuttli ou mN. Afin de simplifier les communications auprès du public, les sismologues canadiens parleront souvent de la magnitude de Richter alors que strictement parlant les séismes de l'est du Canada sont mesurés suivant la magnitude Nuttli. Une exception existe pour les très petits séismes de la région de Charlevoix où la magnitude ML est utilisée.

Dans le monde, d'autres échelles de magnitude existent suivant les conditions à la source des séismes (profondeur), les conditions d'atténuation, le type d'onde mesurée, etc. De plus en plus, les sismologues décrivent les séismes suivant l'échelle de magnitude du moment (MW ou M).

Quel fut le plus grand séisme dans l'histoire mondiale?

Le plus grand séisme de l'histoire récente est le séisme du Chili du 22 mai 1960, que l'on estime à magnitude 9,5. D'après le USGS, ce séisme a causé la mort de plus de 2,000 personnes au Chili, en plus d'engendrer un tsunami qui a déferlé autour du Pacifique, ajoutant plusieurs centaines de victimes au bilan. Les plus grands séismes mondiaux depuis 1900 (en anglais) sont décrits sur le site du USGS.

Pourquoi les séismes megatectoniques causent-ils des tsunamis?

Le mouvement chevauchant des séismes megatectoniques cause des grands mouvements verticaux au plancher sous-marin qui déplacent une grande volume de l'eau, et cette déplacement se propage en devenir un tsunami.

3- Les instruments

Le Sismographe

Un sismographe est un appareil qui enregistre et mesure les tremblements de terre. Au cours d'un séisme, les vibrations provoquées par la cassure de la croûte terrestre se transmettent à partir du point de rupture. L'appareil qui enregistre et mesure les tremblements de terre s'appelle un sismograph. Les sismographes captent et enregistrent ces vibrations, qui sont ensuite étudiées. L'enregistrement visuel produit par les sismographes s'appelle un sismogramme.

Le sismomètre et l'amplificateur du sismographe peuvent être placés à distance et reliés à l'appareil enregistreur par radio ou par téléphone. On dit alors du signal sismique qu'il est "télémesuré". Les signaux provenant de réseaux de stations isolées peuvent être télémesurés aux fins d'enregistrement et d'analyse simultanés en un lieu central. Au Canada, le réseau national est surveillés à partir des centres de recherche sur les séismes de la Commission géologique du Canada à Sidney, en Colombie-Britannique et à Ottawa, en Ontario.

Comment fonctionnent les sismographes?

Le mouvement de la Terre au cours des séismes se mesure par rapport à un objet quelconque qui demeure indépendant du mouvement du sol. Dans un sismographe, cet objet consiste en une masse suspendue sur des ressorts à l'intérieur d'une boîte. Le tout est appelé un sismomètre. Au cours d'un tremblement de terre, la masse demeure immobile pendant que la boîte autour d'elle se déplace suivant le mouvement du sol.

La plupart des sismographes modernes sont électromagnétiques. Un gros aimant sert de masse et la boîte externe renferme de nombreux rouleaux de fil métallique. Les mouvements de la boîte par rapport à l'aimant produisent de faibles signaux électriques dans les rouleaux de fil. Ces signaux sont amplifiés par voie électronique et transmis à un appareil enregistreur à feuille de papier (systèmes plus anciens), ou envoyés en temps réel par satellite, ligne téléphonique, ou radio aux centres de traitement d'Ottawa et de Sidney.

Les ondes sismiques perdent de leur intensité à mesure qu'elles se propagent dans la Terre. Ce sont les ondes à haute fréquence qui s'atténuent le plus. Par conséquent, les sismographes conçus pour observer des séismes locaux doivent être sensibles à une fréquence de mouvement du sol différente de celles utilisées pour enregistrer des tremblements de terre lointains. Des instruments sensibles aux ondes sismiques qui vibrent plusieurs fois par seconde, autrement dit des sismographes à courtes périodes, sont utilisés pour enregistrer des tremblements de terre locaux, au cours desquels les ondes atteignant les sismographes sont encore très rapides et rapprochées les unes des autres. Les sismographes à longues périodes répondent à des ondes de plus basse fréquence et enregistrent des séismes éloignés. Les sismographes modernes à bande large remplissent les deux fonctions.

Certains sismographes à courtes périodes amplifient le mouvement du sol plusieurs centaines de milliers de fois. Ces instruments sensibles peuvent déceler des mouvements du sol trop faibles pour être ressentis par les êtres humains. Lors de grands tremblements de terre à proximité, les mouvements du sol pourraient excéder la capacité d'enregistrer des sismographes. Pour enregistrer avec exactitude des séismes locaux importants, il faut utiliser un troisième type de sismographe. Les sismographes pour secousses fortes amplifient très peu les mouvements du sol (moins de 100 fois) et, contrairement aux appareils plus sensibles, ne fonctionnent pas continuellement. Les sismographes pour secousses fortes sont mis en marche par des mouvements violents du sol et enregistrent uniquement jusqu'à ce que les mouvements du sol soient de nouveau imperceptibles. Des enregistreurs numériques remplacent peu à peu les appareils analogiques à papier photographique.

Pour obtenir une representation complète du mouvement de la Terre, il faut le mesurer dans trois directions perpendiculaires. Par conséquent, les sismographes sont souvent déployés par groupes de trois. Chaque sismographe enregistre l'une des composantes du mouvement du sol, c'est-à-dire la Nord-Sud, l'Est-Ouest ou la verticale (de haut en bas).



Des Ondes Séismiques

Voici un exemple de plusieurs ondes séismiques principaux. Nous avons enregistré ces ondes d'un tremblement de terre de magnitude 6,6 qui a eu lieu 600 km à l'ouest du sismographe à Lillooet, C.-B. le 2 novembre 2004. Le temps se déroule de gauche à droit dans le diagramme, à 60 secondes entre les coches en bas, et les trois traces indiquent la vibration de la terre en des directions verticale ("V"), nord-sud ("N"), et est-ouest ("E").

Premièrement, à gauche, on a le mouvement normal de la terre: presque une ligne droite, qui indiquerait nul mouvement, mais on peut peut-être voir des petits mouvements à cause du vent etc. Puis l'énergie du tremblement de terre arrive, en commençant avec les ondes P ("primaires"), dont la vibration est de plus haute fréquence et dans la même direction du chemin de l'énergie, étant par conséquent plus évidentes dans les traces verticales ("V") et est-ouest ("E").

Les ondes S ("secondaires") parcourent moins vite, alors à cette distance elles arrivent environ une minute après les ondes P. Ces ondes vibrent dans une direction perpendiculaire au chemin d'arrivée de l'énergie, (d'un côté à l'autre). Donc, grâce à leur arrivée de l'ouest, elles peuvent être vues plus clairement à la trace nord-sud ("N"). Encore plus tard, les ondes Rayleigh arrivent ("R" dans le diagramme; nommées d'après Lord Rayleigh qui les a décrites en mathématiques), qui suivent la surface de la terre, par opposition des ondes P et S qui parcourent profondément dans la terre.