SELON LGIT

Prédiction des mouvements sismiques forts et prise en compte des effets de site

Modèles prédictifs régionaux (" lois d'atténuation ")

Il existe un fort débat sur la manière de prédire le mouvement sismique pour de forts séismes dans les pays à sismicité modérée. Nos résultats récents (Scherbaum et al., 2004b, Pousse et al., 2005) suggèrent que l'ajustement aux conditions géologiques européennes des modèles de prédiction de mouvement sismique issus des mouvements forts (Californie, Japon) est préférable à l'extrapolation des modèles régionaux issus des données de mouvements faibles. Cette difficulté à extrapoler nos modèles régionaux pourrait être due à une modification des lois d'échelle entre forts et faibles séismes ainsi qu'à des effets de sources étendues (voir Scherbaum et al., 2004 et Cotton et al., 2004 pour une discussion plus précise). Les données de mouvements faibles sont néanmoins essentielles dans le processus d'ajustement des modèles de mouvement fort (Cotton et al., 2005) et le développement de modèles composites (Scherbaum et al., 2005a, 2005b). Ces résultats préliminaires doivent être confortés en continuant à analyser les bases de données de mouvement fort japonaise et taiwanaise et les nouvelles données européennes. Nous souhaitons poursuivre la coopération entreprise avec F. Scherbaum (Université de Potsdam), J. Bommer (Imperial College), H. Bungum (Norsar), A. Rietbrock (Université de Liverpool) sur ce thème. La constitution d'une base de données de mouvements faibles est entamée, en partenariat avec l'ITSAK (Grèce), l'université de Trieste (Italie), l'ICC (Espagne), l'université de L

Evaluation des effets de site

Caractérisation des conditions de site à l'aide du bruit de fond sismique

Ces axes de recherche sont motivés par le fait qu'il est extrêmement coûteux en temps et en moyens matériel et humain, voire parfois totalement impossible, d'estimer en milieu urbain les caractéristiques géométriques et propriétés mécaniques du sous-sol à l'aide de techniques de prospection sismique ou géotechniques classiques (forage, sismique réflexion). Les méthodes basées sur l'enregistrement de bruit de fond sismique (méthodes " H/V " et " bruit de fond en réseau ") s'avèrent donc extrêmement intéressantes de par leur facilité de mise en oeuvre et leur faible coût. Les résultats obtenus par l'équipe sur l'exploration de ces méthodes pour extraire des informations sur le sous-sol (profils de vitesse) et les effets de site (fréquences de résonance) ont été très encourageants, ouvrant de nombreuses perspectives de recherche allant de l'amélioration de ces techniques à leur utilisation dans le cadre réglementaire lors de la mise en oeuvre des Plans de Prévention des Risques (PPR). Nous souhaitons ainsi dans les années futures poursuivre les développements entrepris sur ces techniques de bruit de fond en réseau afin de mieux contraindre les vitesses des ondes dans les remplissages sédimentaires et l'encaissant rocheux : exploitation des composantes horizontales des signaux; extraction des ondes de Rayleigh et estimation de l'ellipticité de ces ondes afin de fournir une contrainte supplémentaire sur le profil de vitesse des ondes de cisaillement ; application de la méthode de corrélation du bruit développée récemment par Shapiro et al.(2005) afin d'étudier leur capacité à estimer de façon précise les profils de vitesse dans les milieux très superficiels (propagation haute fréquence) ou dans l'encaissant rocheux; exploration des moyens d'estimation de l'amortissement du sol à partir du bruit de fond. Une attention particulière sera portée d'une part aux erreurs associées à l'estimation de ces profils de vitesse et à leurs répercutions sur les prédictions numériques du mouvement sismique, et d'autre part aux effets 2D/3D pouvant induire de fortes erreurs d'estimation des profils de vitesse. Une application importante de ces développements concerne la quantification des conditions de site des stations accélérométriques nationales (RAP, MEDD, DRAST) et européennes (projet NERIES-JRA4, dont le LGIT est le pilote).

Effets de site 2D/3D et " effets de bord "

La plupart des métropoles vulnérables reposent sur des vallées ou bassins sédimentaires qui ont des géométries bi- ou tri-dimensionnelles, s'apparentant à des systèmes clos enserrés entre des " bords rigides ". Le mouvement sismique est alors contrôlé non seulement par le contraste d'impédance entre substratum rocheux et sédiments, qui provoque amplification et allongement de la durée du mouvement sismique, mais aussi par l'effet de la géométrie du site : des ondes de surface sont en effet générées par diffraction sur les bords de la structure et se retrouvent piégées dans le remplissage sédimentaire. Ces effets 2D/3D sont particulièrement exacerbés dans les vallées alpines sur lesquelles s'est portée (et se porte toujours) l'attention de l'équipe. Comme les études classiques basées sur l'amplitude des signaux sismiques ne suffisent pas à comprendre et caractériser ces effets de site 2D/3D, nous nous proposons de poursuivre les travaux initiés sur l'utilisation de la phase des signaux sismiques (Cornou et al., 2003; Beauval et al., 2003 ; Sèbe et al, 2005 ). Pour caractériser de façon exhaustive la physique de propagation (ondes de volume / surface, Rayleigh/Love) et l'effet induit sur l'allongement de la durée et la variabilité spatiale du mouvement sismique sur de courtes distances, ces développements seront appliqués sur des signaux synthétiques issus de simulations numériques du mouvement sismique en milieu complexe et sur des signaux enregistrés notamment dans le cadre de nos recherches en Algérie, à Caracas, à Téhéran et à Grenoble.

Outre les effets 2D/3D précédemment mentionnés, notamment dans les vallées alpines, se posent également les problèmes d'interférences constructives bassin-bedrock entre les champs d'ondes diffractés sur les bords de la vallée et les champs d'ondes incidents. Le séisme de Kobé (Japon) en 1995 en a illustré l'effet destructeur. Depuis Kobé, très peu d'études numériques et expérimentales ont été menées pour mieux comprendre ces effets. Un grand nombre de métropoles vulnérables, en sus d'être établies dans des vallées sédimentaires, sont également localisées à proximité des failles sismogènes (Alger, Istanbul, Caracas, Santiago du Chili). Il nous semble ainsi important de mieux caractériser ces " effets de bord " : Quels sont les principaux critères les contrôlant ? Sont-ils prédictibles ? Que se passerait-il si la rupture venait à rompre dans les sédiments ? Cette problématique sera essentiellement abordée à l'aide de simulations numériques du mouvement sismique incluant la rupture de sources étendues sur des failles à proximité même des bassins et confrontées à des données existantes (Kobé notamment).

Ce thème sera abordé lors de l'ESG 2006 (Effect of Surface Geology on Seismic Motion) organisé par l'équipe à Grenoble.

Simulation du mouvement fort prenant en compte les effets de site spécifiques

La génération d'accélérogrammes synthétiques sur une large bande fréquentielle s'avère très importante dans le cadre des études de prédiction du mouvement sismique pour le dimensionnement des structures. Grâce aux développements récents des moyens de calcul et des algorithmes de simulation, il est maintenant possible d'envisager des simulations numériques du mouvement fort aux fréquences intéressant le génie parasismique [0.1 à 10 Hz]. Les simulations hautes fréquences des champs d'onde sont cependant limitées par notre connaissance des caractéristiques des couches les plus superficielles. Les méthodes de simulation semi-empiriques dites "méthodes de fonctions de Green empiriques " qui consistent à simuler en un site donné le mouvement du sol produit par un gros séisme à partir de l'enregistrement au même site d'un petit séisme peuvent alors s'avérer extrêmement intéressantes pour prédire correctement le mouvement du sol à haute fréquence. Ces méthodes présentent en effet l'avantage de prendre naturellement en compte les effets de propagation crustale et les effets de site et ainsi de s'affranchir de reconnaissances géologiques détaillées sur le site d'étude, effets non-linéaires mis à part. De nombreuses simulations réalistes a posteriori de séismes forts à partir de répliques plus faibles ont souligné toutes les potentialités des méthodes de fonctions de Green empiriques. Cependant, force est de constater que, pour obtenir des simulations expliquant au mieux les observables, la plupart des études jouent sur l'incertitude liée à l'estimation de certains paramètres constitutifs du séisme (moment sismique, caractéristiques de la rupture, rapport des chutes de contrainte entre petit et gros séisme, etc.).

A des " fins " de prédiction aveugle mais réaliste du mouvement fort et compte tenu de la difficulté à estimer les paramètres constitutifs d'un séisme futur, nous envisageons de prendre en compte dans ces simulations les récents retours d'expérience sur la cinématique de la source des gros séismes (Manighetti et al, 2005) et la variabilité du mouvement sismique donnée au rocher par les modèles purement empiriques prédictifs du mouvement fort. Nous envisageons de développer une méthode de simulation couplant la méthode des fonctions de Green empiriques pour la simulation à haute fréquence avec la méthode des fonctions de Green numériques pour les basses fréquences.

Effets non-linéaires

Lors de ce quadriennal nous avons étudié la non-linéarité observée sur les données en puits du réseau japonais Kiknet en collaboration avec Fabian Bonilla (thèse de G. Pousse; Bonilla et al.,2003). La non linéarité observée in situ est parfois plus faible que celle prédite par les modèles " usuels ". Un effort de modélisation (postdoc de M. Kham) a par ailleurs été effectué pour développer un code 2D non linéaire équivalent (Aki Larner). Dans un premier temps, nous souhaitons finaliser ces études sous forme de publication, développer de nouveaux codes de calcul non linéaires (développements rendus possibles grâce au recrutement de E. Chaljub), être attentif à tout nouveau jeu de données intéressant, et nous mettre en position de les acquérir nous-mêmes (projet GIS-RAP RGCU-ANR Liquéfaction).

Evaluation probabiliste

L'évaluation du mouvement sismique s'effectue aujourd'hui de manière probabiliste (une probabilité d'occurrence est associée à chaque séisme ou vibration potentielle). Un des enjeux consiste à évaluer ces probabilités mais aussi à afficher les incertitudes associées aux estimations. Nous avons participé récemment à des études appliquées consacrées à l'évaluation concrète de l'aléa sismique pour des installations classées nucléaire ou chimie. Ces travaux montrent qu'un effort de recherche important doit être effectué pour développer les méthodes qui permettent de cerner les incertitudes associées à l'évaluation du mouvement sismique au rocher (modèle régional " hors effet de site").

Il nous parait utile de choisir un site pilote d'évaluation de l'aléa sismique probabiliste. Sur ce site pilote nous pourrons montrer l'impact des différentes incertitudes (failles actives, catalogues de sismicité, calcul du mouvement sismique, évaluation des effets de site) sur l'incertitude globale. Pour aller plus loin sur ce thème, il nous paraît aussi nécessaire de nous "frotter" à d'autres communautés. L'évaluation probabiliste est un thème très présent chez les chercheurs travaillant sur les risques inondations et avalanches. Nous développons cette idée au sein du pôle grenoblois des risques naturels.