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Quelques utilisations des données sismologiques

La géophysique concerne l’étude des caractéristiques physiques de la Terre, ou d’autres planètes, en utilisant des techniques de mesures indirectes (gravimétrie, géomagnétisme, sismologie, radar géologique, etc.). L’amélioration constante des instruments, méthodes et infrastructures telles que Résif permet d’immenses progrès dans la connaissance de notre planète. Voici quelques exemples d’utilisation des données collectées par les instruments des réseaux sismologiques permanents et mobiles de Résif et d’autres infrastructures.

Sommaire

Structure et dynamique de la Terre

  • Etudier les chaînes de montagnes : exemple des Alpes
  • Identifier les failles géologiques actives
  • Etudier la dynamique des versants instables
  • Quantifier le taux d’érosion des reliefs : exemple à La Réunion
  • Etudier l’histoire tellurique des planètes lointaines : exemple de Mars

Séismes, tempêtes, tsunamis et éruptions volcaniques

  • Caractériser et comprendre les séismes : exemple du séisme du Teil
  • Elaborer des catalogues et des cartes de sismicité
  • Comprendre les tempêtes : exemple de la tempête Alex
  • Anticiper les éruptions volcaniques : Antilles, Réunion et Mayotte

Aléas et risques : rôle sociétal

  • Participer à la sécurité des populations et des biens
  • Contribuer à la détermination du zonage sismique
  • Permettre l’alerte précoce en cas de tsunami
  • Participer à la surveillance des ouvrages de génie civil : exemple du barrage de St-Guérin
  • Contribuer à la sécurité des centrales nucléaires

Ressources naturelles et sites remarquables

  • Détecter et préserver les ressources du sous-sol : exemple en Alsace
  • Mesurer et prévoir la fonte de la banquise : exemple en Norvège
  • Ausculter les glaciers : exemple du glacier d’Argentière, massif du Mont-Blanc
  • Contribuer à la préservation de sites historiques : exemple de la grotte Chauvet

 

Structure et dynamique de la Terre

Etudier les chaînes de montagnes : exemple des Alpes

Les Alpes sont l’une des chaînes de montagne les plus compliquées du globe, plus compliquées que les grandes chaînes comme l’Himalaya ou des Andes, rectilignes et relativement homogènes. Les géologues ont étudié les Alpes depuis plus de 100 ans, mais la structure de la croûte et du manteau reste mal connue. Grâce à la sismologie, les incertitudes actuelles sur les structures profondes de l’arc alpin sont en passe d’être levées.

AlpArray est un consortium de projets de recherche d’une dizaine de pays européens visant à préciser les structures profondes des Alpes (croûte et manteau supérieur) pour mieux comprendre la dynamique de la chaîne. AlpArray s’est appuyé sur le déploiement d’un réseau sismologique dense et homogène (maille ~50 km) à terre et en mer dans 11 pays. 352 stations des réseaux large-bande permanents ont été complétées par 246 stations temporaires terrestres et 30 sismomètres fond de mer. Le projet s’est achevé en 2019. Les données recueillies sont en cours d’analyse par les partenaires.

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Identifier les failles géologiques actives

Du point de vue sismotectonique, la France métropolitaine, comme ces pays voisins de l’Europe de l’Ouest, peut être définie aujourd’hui comme une région continentale stable à fort héritage structural et faible taux de déformations.

L’axe « Failles actives France » de l’action transverse sismicité de Résif a pour objectif de mieux comprendre la sismicité associée aux failles actives en France et les processus à l’origine de cette sismicité, en constituant notamment une base de données la plus complète possible des failles actives au Quaternaire, la BDFA (Base de données des failles potentiellement actives).

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Etudier la dynamique des versants instables

300 millions de personnes dans le monde sont exposées au risque que représentent les versants instables. 17% des décès annuels liés aux catastrophes naturelles résultent d’éboulements. Pour prévenir et gérer les risques liés à ces aléas gravitaires, il faut détecter les zones à risque, les surveiller et déterminer l’influence de divers facteurs (météorologiques, climatiques, tectoniques) sur l’activité gravitaire.

Par sa capacité à enregistrer en continu et à distance, la sismologie apporte des informations qui permettent quantifier et comprendre la dynamique des versants instables.

L’Observatoire multidisciplinaire des instabilités des versants (OMIV) du CNRS est responsable de l’acquisition et de la distribution en continu et sur le long terme des données sur 4 sites dans les Alpes françaises (La Clapière, Séchilienne, Super-Sauze, Mas Avignonet) pour 4 catégories d’observations (déformation, sismologie, météorologie, hydro-géochimie). Parmi les instruments déployés sur le terrain, l’OMIV exploite ainsi une soixantaine de capteurs sismiques.

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Landslide seismic sources (OMIV)

Quantifier le taux d’érosion des reliefs : exemple à La Réunion

L’érosion sur l’île de La Réunion est responsable de la formation des cirques et d’une topographie particulièrement accidentée. Cependant, le taux d’érosion est un paramètre difficilement quantifiable, tout comme les processus mis en jeux. Cette érosion est clairement associée aux fortes précipitations que connaît l’île chaque année, notamment lors de dépressions et de cyclones tropicaux. Cependant, la charge de fond que transportent les rivières et qui participe fortement à la charge solide et à l’érosion des édifices volcaniques de l’île est largement méconnue.

L’évaluation de la charge de fond est essentielle dans l’étude de la dynamique des cours d’eau et dans l’étude de l’érosion des reliefs et de l’ensemble des risques et phénomènes afférents. Le laboratoire Géosciences Réunion (IPGP) associé à d’autres unités, conduit depuis 2015 un projet de recherche dont l’objectif principal est d’effectuer un suivi spatio-temporel du transport des sédiments dans des cours d’eau de La Réunion lors d’événements cycloniques.

Afin de pouvoir suivre et localiser la charge de fond avec les enregistrements sismiques, un réseau sismique de 11 stations sismiques de type large bande a été déployé temporairement depuis fin 2015 en différents points de l’île, dont 6 au niveau de la Rivière des Pluies. Ce projet s’inscrit dans le cadre du Soere Bassins Versants de l’OSU Réunion à travers le projet Erorun.

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Etudier l’histoire tellurique des planètes lointaines : exemple de Mars

Installé sur le sol de la planète depuis décembre 2018 et mis en service en février 2019, le sismomètre ultrasensible et ultrarésistant d’origine française SEIS est l’atout principal de la mission martienne InSight. Grâce à lui, de nombreux évènements sismiques ont été détectés. En utilisant des techniques innovantes de sondage, basées sur les réflexions des signaux sismiques, les scientifiques ont pu mettre en évidence la présence d’une couche d’environ 10 km d’épaisseur, constituée de matériaux volcaniques altérés et endommagés attestant d’une activité tectonique et volcanique récente (moins de 10 millions d’années).

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Les séismes martiens (CNRS-Insu)

Station sismologique A194A à Méolans (Alpes de Haute Provence) dans le cadre du projet Alparray (2015-2020), qui vise à mieux comprendre la dynamique de la chaîne des Alpes.

Station sismologique A194A à Méolans (Alpes de Haute Provence) installée dans le cadre du projet Alparray (2015-2020), qui vise à mieux comprendre la dynamique de la chaîne des Alpes © Laurent Metral, ISTerre Grenoble – En savoir plus

 Station sismologique SisMob HAR1, utilisée pour la surveillance du glissement de terrain d'Harmalière, installée sur la commune de Sinard (Isère)

Station sismologique SisMob HAR1, utilisée pour la surveillance du glissement de terrain d’Harmalière, installée sur la commune de Sinard (Isère) © Stéphane Mercier, Osug/ISTerre Grenoble – En savoir plus

Séismes, tempêtes, tsunamis et éruptions volcaniques

Caractériser et comprendre les séismes : exemple du séisme du Teil

Si les données sismologiques sont utilisées pour comprendre les phénomènes naturels sur de très longues périodes (comme la formation et l’évolution des chaînes de montagnes), elles le sont aussi et surtout pour caractériser et comprendre les séismes.
C’est par exemple grâce, notamment, aux données sismologiques, géodésiques et satellitaires recueillies par les instruments Résif que les scientifiques peuvent déterminer la magnitude, le mécanisme de rupture et les causes du séisme de Le Teil survenu le 11 novembre 2019 près de Montélimar. Ces données contribuent à l’évaluation de l’aléa sismique pour les tremblements de terre le long du système de failles régional majeur des Cévennes.

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Elaborer des catalogues et des cartes de sismicité

Les données recueillies par les instruments Résif, une fois analysées et traitées, servent à l’élaboration de catalogues de sismicité qui contiennent, pour chaque événement, les paramètres de localisation (heure d’origine, latitude, longitude, profondeur), la magnitude et aux incertitudes associées.
A partir de ce catalogue, des cartes de sismicité peuvent être réalisées, telle la carte de la sismicité instrumentale de la France réalisée par le BCSF-Rénass dans le cadre de l’action transverse sismicité de Résif.

Les données macrosismiques (données non instrumentales, tels les témoignages des personnes ayant ressenti les séismes)  également recueillies par le BCSF-Rénass, permettent quant à elles de mieux connaître la sismicité historique et contemporaine et d’élaborer des cartes d’intensité (shakemaps) des secousses au sol.

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Comprendre les tempêtes : exemple de la tempête Alex

La tempête Alex a touché les Alpes maritimes en octobre 2020. Les questions scientifiques posées à la communauté scientifique lors de cet événement portent sur les interactions complexes entre les variables entrantes et sortantes du système terre-mer nord-méditerranéen.

Une rétro-analyse permettra, grâce au réseau sismologique permanent, de préciser le déroulement temporel de la crise et de caractériser les écoulements de débris qui se sont produits pendant la crue. Cette méthode permet de contraindre ce mode d’observation à la surveillance d’écoulement de débris futurs et d’estimation des flux de sédiments via l’analyse des signaux des sismomètres.

Par ailleurs, le déploiement de techniques de traçage sédimentaire par RFID active et passive, mais aussi sismique passive, permet de caractériser les flux sédimentaires des cours d’eau touchés : la Roya, la Vésubie et la Tinée.

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Crise hydro-géomorphologie de la tempête Alex dans les Alpes Maritimes : observation, compréhension et modélisation

Anticiper les éruptions volcaniques : Antilles, Réunion et Mayotte

L’enregistrement de la sismicité des zones volcaniques est l’un des outils indispensables à leur surveillance. Grâce à l’enregistrement continu de séries temporelles de données géophysiques et géochimiques, il est possible de comprendre le fonctionnement du volcan, de détecter un changement de comportement et l’évaluer en terme de potentiel éruptif, et enfin d’informer les autorités responsables de la protection des personnes et des biens.

En France par exemple, les observatoires sismologiques et volcanologiques de Guadeloupe, Martinique et de la Réunion (opérés par l’IPGP, membre de Résif), ainsi que le réseau de surveillance volcanologique et sismologique de Mayotte (Revosima), en sont de bons exemples.

Dans le cadre des campagnes d’étude de la crise sismo-volcanique de Mayotte, de nombreux sismomètres ont été déployés à terre et en mer afin de suivre la naissance et l’activité du volcan sous-marin à l’origine des séismes.

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Observatoires volcanologiques et sismologiques de l’IPGP

Aléas et risques : rôle sociétal

Participer à la sécurité des populations et des biens

Les données sismologiques transmises en continu et en temps réel par les réseaux instrumentaux constituent des informations cruciales pour le gestion des crises sismiques. En France, le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) est chargé de la gestion de crise et de l’alerte pour le Ministère de l’Intérieur. Il s’appuie sur les données sismologiques fournies par les réseaux sismologiques permanents regroupés au sein du Réseau large bande permanent Résif.
Le Bureau central sismologique français (BCSF-Rénass) intervient également rapidement pour tout séisme en France (en métropole lorsque la magnitude dépasse 3.7 et hors métropole lorsqu’il est largement ressenti). Il pilote la collecte des données macrosismiques sur le terrain et assure directement leur interprétation en termes d’intensités macrosismiques. Ses enquêtes sont réalisées à l’échelle communale et individuelle via son site Internet. Si le séisme a entraîné des dégâts, le BCSF-Rénass produit un rapport scientifique sur lequel s’appuie la cellule CatNat, chargée notamment de déclarer l’état de catastrophe naturelle.

Contribuer à la détermination du zonage sismique

Outre améliorer la détection et la connaissance des séismes, une préoccupation majeure des sismologues, associés à des scientifiques d’autres disciplines (géodésie, géologie, modélisation numérique), est d’évaluer le potentiel sismogénique des sources sismiques et d’élaborer des modèles sismotectoniques et d’aléa sismique qui servent de base à l’élaboration des zonages sismotectoniques.

En France par exemple, la carte officielle de zonage sismique est le résultat des observations et recherches conduites par les scientifiques impliqués dans Résif-Epos. Elle divise le territoire national en cinq zones de sismicité croissante en fonction de la probabilité d’occurrence des séismes. Ce zonage est une information précieuse pour l’élaboration de la réglementation concernant la construction parasismique des bâtiments par exemple.

Permettre l’alerte précoce en cas de tsunami

De nombreuses régions du monde sont menacées par les tsunamis et certaines ont connu des catastrophes telle le tsunami du 25 décembre 2004 dans l’Océan indien.
En France, trois zones sismiques menacent potentiellement les côtes françaises de Méditerranée occidentale et d’Atlantique nord. Le Cenalt (Centre d’alerte aux tsunamis) est chargé de la surveillance et de l’alerte, qui s’appuie sur la réception en temps réel des données sismologiques (dont une grande partie fournies par Résif) et marégraphiques afin de caractériser le séisme et le tsunami avant transmission aux autorités chargées de prendre les mesures opérationnelles.

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Participer à la surveillance des ouvrages de génie civil : Exemple du barrage de St-Guérin

Dans les régions à forte sismicité, le risque sismique menace les ouvrages de génie civil.  L’installation de réseaux de capteurs sismologiques sur des barrages peut être utilisée ponctuellement pour surveiller leurs propriétés dynamiques, calibrer les modèles numériques des applications de conception d’ouvrages ou encore de quantifier la variabilité spatiale des mouvements sismiques au pied d’un barrage-voute. En 2015, un réseau sismologique dense utilisant jusqu’à 19 capteurs a été déployé pendant 1 an sur et autour du barrage hydro-électrique EDF de Saint-Guérin, en Savoie. Il a permis d’enregistrer pendant 12 mois les variations de réponse de la voute et de ses environs, causées par les séismes locaux, les variations de température et de niveau d’eau dans le réservoir du barrage.

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Quelques photos (Hal-Résif)

Contribuer à la sécurité des centrales nucléaires

Les recherches en géophysique, et notamment en sismologie, contribuent à la sécurité des centrales nucléaires. Il s’agit notamment de :

  • caractériser les failles ou à défaut des zones susceptibles de produire des séismes et d’estimer notamment la magnitude (mesure de l’énergie) et la fréquence des séismes potentiels,
  • décrire la propagation des ondes sismiques depuis leur source jusqu’au site d’intérêt, en tenant compte de la nature géologique des sols sous l’installation (« effets de site »),
  • de prendre en compte, à toutes les étapes, la variabilité aléatoire inhérente aux processus sismiques et les incertitudes dues au manque de données et de connaissances scientifiques,
  • de fournir aux ingénieurs des structures des signaux sismiques correspondant à l’aléa prédit au site d’intérêt pour calculer de manière dynamique la résistance aux séismes des installations.

En 1976, l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire, membre du consortium Résif, s’est doté d’un Bureau d’évaluation des risques sismiques pour la sûreté des installations (Berssin). Il expertise les dossiers de sûreté des installations nucléaires et mène des recherches en géologie, géophysique et sismologie pour l’évaluation du risque sismique. Il co-pilote l’axe « Aléa » de l’action transverse sismicité de Résif.

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Bureau d’évaluation des risques sismiques pour la sûreté des installations (BERSSIN, IRSN)

Dégâts observés dans le hameau de La Rouvière à proximité de la faille. © M. Causse.

Dégâts observés dans le hameau de La Rouvière à proximité de la faille sur laquelle s’est produit le séisme de Le Teil le 11 novembre 2019  © M. Causse, ISTerre Grenoble

Station sismologique SisMob SG01 du projet Barrage de Saint Guérin situé sur la commune d’Arêches-Beaufort (Savoie)

Station sismologique SisMob SG01 du projet Barrage de Saint Guérin situé sur la commune d’Arêches-Beaufort (Savoie) © Sandrine Roussel, ISTerre Grenoble – En savoir plus

Ressources naturelles et sites remarquables

Détecter et préserver les ressources du sous-sol : exemple en Alsace

Les campagnes de prospection du sous-sol, qu’elles visent les ressources minières, aquifères ou même géothermiques, s’appuient sur diverses méthodes d’imagerie sismique. Par exemple, l’Ecole et observatoire des sciences de la Terre de Strasbourg, membre de Résif, a conduit pendant un mois en 2014 une expérience unique en métropole impliquant l’installation temporaire de plus de 250 stations sismologiques autonomes en réseau autour des sites géothermiques de Soultz sous-Forêts et Rittershoffen, dans le nord de l’Alsace. L’expérience, baptisée EstOF-250, visait à construire à moindre coût une image homogène et détaillée du sous-sol sur les 500 km2 de la zone instrumentée, permettant une analyse très précise des caractéristiques du sous-sol, préalable à l’exploitation de la chaleur présente dans les failles naturelles profondes.

A noter : les stations sismologiques installées à proximité des centrales permettent également d’enregistrer la sismicité induite par l’exploitation géothermique.

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Un réseau innovant de 250 stations sismologiques au service de la géothermie profonde dans l’Outre-Forêt (Eost)

Mesurer et prévoir la fonte de la banquise : exemple en Norvège

La fonte de la banquise arctique est l’un des marqueurs les plus impressionnants du réchauffement climatique. Pour mieux évaluer la qualité de la glace polaire (son épaisseur, son degré de fracturation), une équipe de scientifiques a mené une expédition de reconnaissance et de test en février et mars 2019.

Ce projet de recherche Icewaveguide  visait à écouter les vibrations naturelles de la banquise pour en déduire ses caractéristiques mécaniques (épaisseur, solidité…). Le site pilote a été identifié au Svalbard en Norvège, à 78° de latitude nord, au plus proche de la banquise arctique. 250 capteurs sismiques (sismomètres) du parc d’instruments mobiles Sismob de Résif y ont été installés pendant un mois pour enregistrer les vibrations et murmures de cette petite banquise éphémère (elle ne se forme que quelques mois par an) dans le fjord de Sveagruva.

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Ausculter les glaciers : exemple du glacier d’Argentière, massif du Mont-Blanc

À cause du réchauffement climatique, le glacier d’Argentière, dans le massif du Mont-Blanc, perd environ un mètre d’épaisseur chaque année depuis trente ans. Pour comprendre la dynamique complexe de ce géant de 19 km2, de nombreuses instruments ont été installés au-dessous du glacier et à sa surface.
Parmi eux, douze nodes (capteurs sismologiques mobiles) placés à la base du glacier qui ont mesuré en continu pendant un mois l’activité du glacier. Un réseau de 100 nodes a également été installé durant un mois sur le glacier, à plus de 2500 m d’altitude.

Les résultats de l’expérimentation doivent permettre d’aboutir à une imagerie 3D de la géométrie des crevasses, des chenaux sous-glaciaires et de  l’interface glacier / substrat rocheux, et de quantifier la réponse complexe (déformation interne, fracturation) du mouvement glaciaire aux forçages hydrologiques.

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Le glacier d’Argentière sur écoute (CNRS, Le journal)

Contribuer à la préservation de sites historiques : exemple de la grotte Chauvet

Le rocher d’Abraham est un pilier qui sépare la grotte du Treuil et l’entrée actuelle de la grotte Chauvet en Ardèche, inscrite au patrimoine mondial de l’Unesco. On observe sur ce pilier de nombreuses fentes de décollement. La moindre cohésion de la masse rocheuse à proximité du versant favorise les phénomènes d’écroulement. C’est vraisemblablement ce processus qui est à l’origine de la fermeture de l’entrée préhistorique de la grotte.

L’installation de capteurs sismologiques Résif-Sismob déployés dans la grotte du Treuil, au-dessus du pilier d’Abraham ainsi que sur la partie stable de la falaise, permet d’enregistrer depuis juin 2020 les différentiels de bruit sismique à l’intérieur et à l’extérieur de la cavité de la grotte, et d’étudier la stabilité du pilier d’Abraham.

Node sismologique utiliséee dans le cadre du projet EstOf 250 dans le nord de l'Alsace autour des sites géothermiques de Soultz sous-Forêts (GEIE EMC) et Rittershoffen (ECOGI)

Node sismologique utilisée dans le cadre du projet EstOf 250 dans le nord de l’Alsace autour des sites géothermiques de Soultz sous-Forêts (GEIE EMC) et Rittershoffen (ECOGI) © Jérôme Vergne, Eost Strasbourg – En savoir plus

Transport de sacs contenant des sismomètres sur le glacier d'Argentière

Transport de sacs contenant des sismomètres sur le glacier d’Argentière, dans le massif du Mont-Blanc, lors de la mise en place d’un réseau de cent sismomètres à la surface du glacier, par les scientifiques du projet Resolve. Ce projet d’envergure a pour but de révéler les mécanismes internes des glaciers. © Nicolas Baker / ISTerre / CNRS Photothèque – En savoir plus