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Origine et effets des séismes

Qu’est-ce qui provoque les séismes ?

Un séisme est une rupture des roches de la croûte terrestre, un glissement brutal le long d’une faille sismique consécutif à une accumulation de contraintes au cours du temps. Lors de la rupture, l’énergie accumulée se libère soudainement et se disperse dans toutes les directions de l’espace, sous forme d’ondes. Le passage de ces ondes à la surface est alors ressenti comme des vibrations du sol : c’est le tremblement de terre. C’est ce glissement brutal qui va comprimer (ou dilater) et cisailler les roches environnantes. Ces compressions/cisaillements vont se propager de proche en proche dans les roches. C’est ce que l’on appelle les ondes sismiques. Donc, schématiquement, les failles sismiques sont à l’origine des séismes, qui eux-mêmes engendrent les ondes sismiques.

D’autres causes peuvent générer des séismes. Par exemple, à 50 km au large de Mayotte, de nombreux séismes se produisent depuis 2018. Leur origine est la naissance d’un nouveau volcan au fond de l’océan, à 3500m de profondeur. L’activité humaine peut également entraîner des mouvements sismiques.

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L’origine des séismes renseigne sur les mécaniques du sous-sol et l’impact de l’homme sur ce dernier (6:09 mn)  © ITI-Géosciences pour la transition énergétique, Université de Strasbourg 2021 – En savoir plus

Quel est le lien entre tectonique des plaques et séismes ?

Les plaques tectoniques (qu’elles soient continentales ou océaniques) correspondent à la couche extérieure rigide du globe (la lithosphère). Elles sont animées de mouvements horizontaux, principalement à cause de grands courants de convection dans le manteau sous-jacent, eux même engendrés par la libération de chaleur du noyau de la Terre.

Les failles sismiques sont localisées majoritairement sur la bordure des plaques tectoniques, là où deux plaques se rapprochent, s’éloignent ou coulissent l’une par rapport à l’autre. Ces failles sont les marqueurs des déformations qui affectent la croûte terrestre lors de “l’affrontement” de deux plaques. Elles sont généralement bloquées, mais parfois les contraintes qu’elles subissent sont telles qu’elles rompent brutalement en provoquant un séisme.

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Sismicité à l’échelle du globe

Pourquoi y-a-t-il des séismes en France ?

Pour répondre à cette question, il faut distinguer l’origine des différents types de séismes qui ont lieu dans l’ensemble des territoires français, ultra-marins et métropolitains.

Outre-mer, en particulier aux Antilles, à Mayotte ou encore à la Réunion, la déformation de la croûte terrestre, et donc la sismicité, sont gouvernées par des processus géologiques bien identifiés et largement étudiés, tels que la tectonique des plaques ou le volcanisme. Les déformations peuvent être fortes et, en conséquence, la sismicité importante, car ces zones sont proches de limites de plaques tectoniques ou de points chauds. En contraste, la France métropolitaine et la Guyane sont des zones continentales stables, c’est-à-dire situées loin des frontières actives de plaques. La déformation de la croûte terrestre y est très faible. Il faut donc chercher, en partie ailleurs, les origines de la sismicité enregistrée.

Souvent associées aux tremblements de terre, l’histoire tectonique des chaînes de montagnes françaises n’explique pas, à elle seule, l’intégralité des mouvements et déformations observées par les mesures géophysiques du territoire. D’autres processus s’ajoutent alors et concourent à générer la sismicité telle qu’elle est enregistrée aujourd’hui et telle qu’elle est connue dans l’Histoire : processus environnementaux comme l’érosion, processus climatiques tels que les conséquences des cycles glaciaires, ou encore processus anthropiques. Dans ces trois cas, c’est l’action d’ajouter ou d’enlever de la masse (roche, glace, eau) qui conduit à déformer la croûte terrestre et parfois à engendrer des séismes. Ces phénomènes varient d’une région à l’autre avec une emprise et des conséquences, en matière de sismicité, plus ou moins grandes, en fonction de leur ampleur et de leur rapidité.

Une sismicité récurrente, et occasionnellement destructrice, a pu être observée au cours des siècles. L’occurrence de tels événements, parfois dans des zones où l’activité sismique actuelle est très faible (comme en 1580 dans le Pas de Calais) interroge encore aujourd’hui.

Comprendre l’origine de la sismicité en France reste donc un défi scientifique faisant appel à un très large champ disciplinaire.

A noter : le point chaud est une zone du manteau terrestre à partir de laquelle un panache de magma se forme, remonte et perce la croûte, donnant naissance à une activité volcanique régulière.

Y-a-t-il des déclenchements artificiels de séismes ? Et si oui, quelles en sont les causes ?

On peut classer les séismes selon deux grandes catégories : ceux d’origine naturelle et ceux d’origine artificielle. La plupart des séismes d’origine naturelle sont dus à des mouvements tectoniques qui correspondent à des ruptures de roches dans les zones de faille. Les autres séismes d’origine naturelle sont liés à l’activité volcanique.

Toute action qui modifie le champ de contrainte dans la croûte peut également induire des séismes. Les activités humaines susceptibles de provoquer des séismes artificiels sont nombreuses. On peut citer par exemple : la mise en eau d’un grand barrage, l’exploitation de gisements de gaz naturel ou de champs pétroliers, l’exploitation de réservoirs géothermiques, les tirs de mines et de carrières, les essais nucléaires souterrains, les effondrements miniers (mines en exploitation ou dans d’anciennes mines).

Exceptés les tirs nucléaires souterrains, dont les plus importants ont atteint la magnitude 6, ces séismes d’origine anthropique sont généralement de magnitude faible ou modérée. Ils ne dépassent qu’exceptionnellement la magnitude 4 et ne sont que rarement ressentis par la population. Ce fut le cas pourtant en 2020 et 2021 lorsqu’une série de séismes ayant pour cause l’exploitation, puis l’arrêt d’exploitation du site d’exploitation géothermique Geoven s’est produite au nord de Strasbourg. Ces épisodes ont créé un fort émoi dans la population et des dégradations sur des bâtiments.

À quelle profondeur se produisent les séismes ?

La majorité des séismes se produisent dans la croûte terrestre, à moins de 20 km de profondeur. Les séismes plus profonds sont localisés dans des zones étroites, bien connues. Ils peuvent provoquer des dégâts s’ils sont de forte magnitude.

Dans les zones de subduction, la lithosphère s’enfonce sous une autre plaque, et descend dans le manteau jusqu’à une profondeur de 700 km ou plus. La température et la pression augmentent avec la profondeur, et on sait que, vers 700 km, ces conditions induisent des changements importants dans les minéraux du manteau terrestre. C’est la limite entre le manteau supérieur et le manteau inférieur et on parle alors de changements de phase, c’est-à-dire un réarrangement du réseau cristallin des minéraux. De plus, dans ces conditions de pression et de température, les roches ne peuvent plus accumuler de contrainte, ce qui explique que les séismes ne soient pas observés à des profondeurs supérieures à 700 km.

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Sismicité à l’échelle du globe

Quelle est la durée d’un séisme ?

La durée des vibrations sismiques ressentie par les personnes dépend de deux facteurs :

la durée pendant laquelle la faille glisse (1 ou 2 secondes pour un séisme de magnitude 4 à une centaine de secondes pour un séisme de magnitude supérieure à 8) et émet des ondes sismiques;
la durée liée, d’une part, à l’étalement des arrivées d’ondes sismiques se propageant à des vitesses différentes (ondes P rapides, ondes S plus lentes, ondes de surface encore plus lentes) et, d’autre part, aux phénomènes de résonance des couches géologiques (effet de site) et des sols situés sous le lieu d’observation, qui allongent la durée des vibrations (dans les bassins alluviaux par exemple).
Pour les très gros séismes (magnitude supérieure à 7), la première durée peut devenir importante et son effet se combine avec les effets de propagation et de résonance (effets de site). Pour les petits séismes, la durée des ondes sismiques à la source est très brève. L’effet d’allongement de la vibration vient de la propagation des ondes sismiques et d’éventuels phénomènes de résonance locale.

Comment distinguer un séisme d’une réplique ?

Un séisme important est généralement suivi d’une séquence de séismes qu’on appelle répliques. Leur nombre et leur magnitude décroît généralement avec le temps (sans exclure l’occurrence d’un séisme de magnitude plus élevée). En général, on associe le terme “réplique” à un séisme s’il est suffisamment proche en temps et en espace par rapport au séisme principal.

Beaucoup de petits séismes évitent-ils d’avoir les gros séismes ?

L’énergie dissipée par de petits séismes est bien trop faible pour libérer celle qui peut générer un gros séisme. Par exemple, pour libérer l’équivalent d’un séisme de magnitude 5 sur un segment de faille qui fait moins de 10 km de long, il faut plus de 30 000 séismes de magnitude inférieure ou égale à 2 sur ce même segment. Ou encore, pour libérer l’équivalent d’un séisme de magnitude 8, il faudrait plus de 900 millions de séismes de magnitude inférieure ou égale à 2.

Il y a fréquemment une concentration de petits séismes avant un fort séisme (de magnitude 6 ou plus), mais ce n’est pas toujours le cas. Parfois, rien ne se produit avant. Par ailleurs, dans la plupart des cas d’augmentation de petits séismes, ils ne sont suivis par aucun séisme fort.

Quelle est la différence entre séisme et événement sismique ?

Avec les réseaux sismologiques, on enregistre à la fois des séismes et d’autres évènements qui génèrent également des ondes sismiques : évènements d’origine anthropique (voir ci-dessus), évènements d’origine naturelle (avalanche, éboulement, etc). Le terme “évènement sismique” est un terme général qui englobe l’ensemble des évènements détectés, sans discrimination. Le terme “séisme” est réservé aux séismes naturels (d’origine tectonique ou volcanique).

Les phénomènes sismiques sont-ils plus fréquents à certaines époques et moins fréquents à d’autres ?

Que ce soit à un niveau national ou international, on n’observe pas de tendance majeure d’évolution du nombre de séismes ou de leur magnitude depuis que nous disposons des instruments nécessaires pour les enregistrer de façon exhaustive (soit environ un siècle). Cependant, le nombre de séismes détectés augmente chaque année car il y a de plus en plus de sismomètres en fonctionnement dans le monde et qui détectent des séismes de plus en plus petits.

A l’échelle d’une région en revanche, il semble maintenant établi que certaines zones de failles connaissent des périodes d’activité avec des séismes importants pendant quelques dizaines d’années ou quelques siècles et des périodes calmes durant plusieurs siècles – voire plusieurs millénaires. Cette question est l’objet de recherches très actives dans plusieurs laboratoires associant études géophysiques et géologiques.

Est-ce que le type de bruit provoqué par un séisme est relié à la distance à l’épicentre ?

Le bruit associé à un séisme varie suivant la localisation de l’épicentre, mais aussi de la profondeur du foyer et du mécanisme de la rupture, ainsi que de l’atténuation dans le milieu. Des sons audibles sont généralement signalés en lien avec des séismes locaux (qui se produisent à faible distance et faible profondeur). Ils peuvent ressembler à une explosion ou un bang d’avion supersonique proche de l’épicentre, et un bruit semblable à celui du passage d’un gros camion, un fort grondement, ou encore un tonnerre lointain à des distances plus importantes.

Ces sons audibles sont associés au passage des ondes P, et notamment à la transmission du déplacement vertical du sol à l’atmosphère, et ils peuvent être entendus dans la zone épicentrale, même pour des séismes de très faible magnitude (inférieure à 2).

Diverses études ont montré que l’audibilité de ces sons décroît avec la distance à l’épicentre et dépend de la magnitude du séisme. Par exemple, ils peuvent être entendu jusqu’à une quinzaine ou une vingtaine de kilomètres de l’épicentre pour un séisme de magnitude 3 ou 4, et jusqu’à une centaine de kilomètres pour un séisme de magnitude 5. Mais ce ne sont que des approximations car les chiffres peuvent varier d’une région à une autre.

Fiches pédagogiques

Fiches pédagogiques sur l’origine et les effets des séismes. Cliquez sur l’image pour télécharger le fichier au format pdf.

Sismologie Fiche pedagogique Origine des seismes en France infographie 13102020
Origine des séismes en France (pdf)

A lire aussi : Origine des séismes en France (article paru le 13 octobre 2020 dans le cadre de la Journée internationale de prévention des carastrophes)

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Auteurs des fiches : Eric Beucler (textes) et Aurore Delahaye (dessin) © Résif-Epos