Après un grand séisme, pourquoi les répliques durent-elles des jours ?
― La roche restée intacte retrouve peu à peu son équilibre
Même quand la forte secousse est passée, de petites secousses peuvent se poursuivre pendant des jours, parfois des mois. Ce n'est pas que le sol « continue de se briser ». C'est que la roche, qui n'a pas fini de se rompre d'un seul coup, relâche petit à petit la force qui pesait sur elle. Et la façon dont ce phénomène diminue suit une règle étonnamment précise.
Vous pliez lentement une tablette de chocolat dure, à deux mains. À un moment donné, elle casse avec un grand « crac ».
Mais ce n'est pas fini. Après la cassure, de petits « crac, crac » peuvent continuer dans vos mains. C'est qu'autour de la grande fissure, des parties sont restées intactes.
Au début, les craquements se succèdent rapidement, puis les intervalles s'allongent peu à peu. Ce qui se passe sous terre y ressemble beaucoup.
Pourquoi les répliques durent : seulement deux raisons
À l'endroit qui a glissé lors du séisme principal, la force est relâchée. Mais cette force ne disparaît pas : elle se reporte sur les deux extrémités de la zone qui n'a pas glissé. La roche environnante se retrouve alors sous une pression plus forte qu'avant.
Le moment où une zone sous pression finit par céder dépend de sa solidité. Les zones fragiles cèdent vite, les plus résistantes des jours plus tard. C'est pour cela que les secousses traînent en longueur.
Le séisme principal n'est pas une « fin » : pour la roche environnante, c'est un « début ». Voyons cela dans l'ordre.
Le séisme principal ne fait pas disparaître la force
Sous terre, la roche est lentement pliée par le mouvement des plaques, pendant des dizaines, voire des centaines d'années. Quand la déformation accumulée dépasse une limite, la roche glisse le long d'une surface appelée faille. C'est un séisme.
À ce moment-là, la force accumulée sur la surface qui a glissé se libère d'un coup. Mais cette force ne disparaît pas pour autant. À la frontière entre la partie qui a glissé et celle qui n'a pas encore glissé, une sorte de marche se forme. Cette frontière se retrouve alors soumise à une force plus forte qu'avant.
Pour reprendre l'image de la tablette de chocolat : c'est la pointe de la fissure. C'est là que la force se concentre le plus. Pour un séisme, c'est pareil : la force se reporte sur l'extérieur de la zone qui a glissé lors du séisme principal, et sur son prolongement. Regardez la partie gauche de la figure 1.
Pourquoi la roche ne cède-t-elle pas tout de suite ?
Puisque la force est reportée, on pourrait penser que la roche devrait céder d'un coup, sur place. Mais ce n'est pas ainsi que la roche se rompt.
À l'intérieur de la roche, des zones solides et des zones fragiles sont mélangées de façon irrégulière. Même sous la même force, le temps nécessaire pour céder varie beaucoup. Les zones fragiles cèdent en quelques secondes, les plus résistantes en quelques jours, les plus tenaces en quelques mois. Cette dispersion du « temps d'attente avant rupture » est la véritable cause de la longue durée des répliques.
Il existe un autre mécanisme qui allonge ce délai. De l'eau s'infiltre dans les fissures de la roche, et sa pression influence la façon dont les choses bougent. Quand le séisme principal détend la roche, l'eau migre lentement des zones de haute pression vers les zones de basse pression. Les endroits atteints par l'eau deviennent plus faciles à rompre, ce qui contribuerait aussi au retard.
Enfin, chaque réplique provoque à son tour un nouveau report de force. Une réplique en entraîne une autre. C'est pourquoi la diminution ne s'arrête pas net, mais se prolonge en une longue traîne.
Une réplique désigne une secousse plus faible que le séisme principal. Mais si une secousse ultérieure s'avère plus forte, la première change alors de nom : elle devient un « précurseur ». Autrement dit, on ne peut pas savoir sur le moment si la première secousse est bien le séisme principal. C'est pour cette raison que l'Agence météorologique du Japon éviterait le terme « réplique » au profit de « activité sismique ».
L'expérience montre souvent que la plus forte réplique a une magnitude inférieure d'environ 1 à celle du séisme principal. Mais ce n'est qu'une tendance moyenne : on connaît des cas où une secousse d'ampleur comparable au séisme principal s'est reproduite peu après. Ce chiffre ne doit pas servir à se dire « il n'y aura plus rien de fort ».
Alors, que faire ?
- Si ça tremble, protégez d'abord votre têteRéfugiez-vous sous une table, ou protégez votre tête avec un sac ou un coussin, en restant baissé. Ne bougez qu'une fois la secousse passée.
- Après une forte secousse, attendez-vous à ce que ça recommenceÉloignez-vous des meubles qui risquent de tomber et des zones où il y a du verre brisé. Choisissez un endroit où rien ne peut vous tomber dessus.
- Ne vous approchez pas des bâtiments ou murs fissurésUn bâtiment affaibli par une première secousse peut s'effondrer à la suivante. Même sans raison particulière, évitez d'y passer à proximité.
Après une forte secousse, agissez en gardant à l'esprit qu'une secousse d'ampleur comparable peut se reproduire. Si un bâtiment est fissuré, penché, ou si une porte ne ferme plus, ne restez pas à l'intérieur : dirigez-vous vers un lieu sûr, comme un centre d'évacuation. Si vous êtes près de la mer, dirigez-vous immédiatement vers un point élevé dès que vous ressentez une secousse. En cas de blessé ou de départ de feu, appelez les secours (au Japon, le 119). Pour secourir une personne coincée sous un meuble renversé, assurez-vous d'abord de la sécurité des environs ; si la situation vous semble dangereuse, attendez les pompiers ou la police. Suivez les informations de votre municipalité et de l'Agence météorologique pour les décisions d'évacuation ou d'accès aux zones concernées.
En résumé
Le séisme principal ne fait pas disparaître la force accumulée : il la reporte sur les zones restées intactes. Ces zones cèdent ensuite les unes après les autres, à des moments différents selon leur résistance. C'est pourquoi les secousses traînent en longueur, et pourquoi leur diminution suit une règle précise.
Les répliques ne sont pas le bruit d'un sol encore en train de se briser.
Ce sont les bruits de la roche, restée décalée, qui retrouve peu à peu son équilibre, l'une après l'autre.
La différence entre le « tac-tac » et le « roulis » que l'on ressent lors d'un séisme est expliquée dans « Pourquoi le « tac-tac » d'un séisme arrive-t-il avant le « roulis » ? ». Le phénomène par lequel le sol devient comme « liquide » après une secousse est traité dans « Pourquoi la liquéfaction transforme-t-elle le sol en « eau » ? », et le mouvement continu des plaques sous terre dans « Comment un fossile de coquillage est-il arrivé en haut d'une montagne ? ».
- Pliez lentement, à deux mains, une tablette de chocolat sèche. Continuez jusqu'à ce qu'elle casse avec un grand craquement.
- Même après la cassure, continuez à la tenir sans relâcher la pression. De petits bruits peuvent continuer, par intermittence.
- Comptez sur vos doigts chaque craquement. Vous remarquerez qu'ils se succèdent d'abord rapidement, puis que les intervalles s'allongent.
Le même phénomène se produit avec des bonbons durs ou des biscuits secs. Le sous-sol réel est bien plus complexe, mais le principe commun demeure : une grande rupture est suivie d'une longue traîne de petites ruptures.
Pour en savoir plus ― termes, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège jusqu'aux matières spécialisées universitaires, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeContenu du programme de sciences du collège
- LycéeContenu du programme de « sciences de la Terre, notions de base » au lycée
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou encadré du manuel
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (sismologie, mécanique des roches)
- RechercheContenu qui n'est même pas enseigné à l'université comme un « acquis établi » : sujets actuellement étudiés par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Séisme principal : la plus forte secousse d'une série d'activités sismiques. On ne le détermine qu'après coup.
- Précurseur : une secousse survenue avant le séisme principal, plus faible que lui. Il serait difficile de le reconnaître comme tel pendant qu'il se produit.
- Contrainte : l'intensité des forces qui poussent ou tirent sur une surface à l'intérieur de la roche. Elle s'exprime en force par unité de surface.
- Loi d'Omori : une règle empirique selon laquelle le nombre de répliques diminue en proportion inverse du temps écoulé depuis le séisme principal. Formulée en 1894 par Fusakichi Omori.
CollègeLycéeVérification par le calcul : à quelle vitesse les répliques diminuent-elles ?
La forme la plus simple de la loi d'Omori dit que « le nombre de répliques par jour est inversement proportionnel au nombre de jours écoulés depuis le séisme principal ». Prenons le cas où il y a eu 100 répliques le premier jour. Seules la division et la soustraction sont nécessaires.
| En symboles | n = K ÷ t (la forme améliorée est n = K ÷ ( t + c )^p) |
| En mots | Nombre de répliques par jour = constante propre au séisme ÷ nombre de jours écoulés depuis le séisme principal |
| Origine de la formule | En 1894, Fusakichi Omori a découvert cette règle empirique (loi d'Omori) à partir des registres des répliques du séisme de Nōbi. Plus tard, Tokuji Utsu l'a complétée en y ajoutant un exposant p et un petit décalage temporel c, donnant la loi d'Omori-Utsu (ou loi d'Omori modifiée) |
| Nombre de répliques le 1er jour | 100 (valeur hypothétique pour cet exemple) |
| Règle de diminution | Le nombre serait inversement proportionnel au nombre de jours |
| Pas de comptage | Tous les jours |
| Symbole | Signification et unité |
| Nombre | Nombre de répliques survenues ce jour-là [répliques] |
| Jours | Nombre de jours écoulés depuis le séisme principal [jours] |
| Proportion inverse | Relation selon laquelle le nombre est divisé par deux quand le nombre de jours double [sans unité] |
| Nombre approximatif au 2ᵉ jour | 100 ÷ 2 = 50 |
| Nombre approximatif au 10ᵉ jour | 100 ÷ 10 = 10 |
| Nombre approximatif au 100ᵉ jour | 100 ÷ 100 = 1 |
| Baisse du 1er au 10ᵉ jour | 100 − 10 = 90 |
Le premier jour épuise déjà une grande partie de l'élan initial, et le nombre par jour est déjà divisé par dix au 10ᵉ jour. Mais pour qu'il soit à nouveau divisé par dix, il faut attendre 90 jours de plus. Une baisse rapide, mais qui ne tombe jamais vraiment à zéro : voilà ce que signifie « traîner en longueur ». C'est exactement la forme de la courbe de droite dans la figure 1.
LycéeLycée+Comment la force se reporte-t-elle ?
LycéeQuand une faille glisse, la force qui s'exerçait le long de cette surface se libère, mais aux extrémités de la zone qui a glissé, la roche se déforme comme si elle était déchirée. Plus la déformation est grande, plus la force se concentre. On explique ainsi le fait que les répliques soient nombreuses à l'extérieur de la zone qui a glissé lors du séisme principal.
Lycée+Ce changement de force est représenté en sismologie par une grandeur appelée variation de contrainte de Coulomb. Elle correspond à la force qui tend à faire glisser une surface, moins l'effet de la force qui la presse et l'empêche de bouger. Dans de nombreux séismes, on a observé une hausse des répliques dans les zones où cette grandeur augmente, et un calme de l'activité sismique là où elle diminue.
UniversitéLe point de vue de la mécanique des roches sur ce « retard à la rupture »
La roche ne cède pas nécessairement dès l'instant où elle atteint sa limite de rupture. Même avec une force légèrement inférieure à cette limite, elle finit par céder si on lui laisse du temps. C'est ce qu'on appelle la propagation sous-critique des fissures : à la pointe de la fissure, les liaisons se rompent une à une, à une vitesse qui dépend fortement de la force appliquée, de la température et de la présence d'eau. Comme cette vitesse varie de façon très sensible avec la force, une infime différence de force peut changer le temps de rupture de plusieurs ordres de grandeur. En appliquant cette propriété à l'ensemble de la roche, on obtient une forme proche de la loi d'Omori, où le nombre de répliques diminue en proportion inverse du temps. Une diminution similaire se déduit aussi de la loi de frottement dépendant de la vitesse et de l'état, qui décrit le frottement d'une faille en fonction de la vitesse de glissement et de l'historique des contacts.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Loi d'Omori (Wikipédia, en japonais) ／ Répliques (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Distinguer précurseur et réplique. Il n'existe toujours pas de méthode établie pour juger, pendant que cela se produit, si une secousse annonce un séisme encore plus fort.
- Le principal facteur du retard. La nature de la roche elle-même, la migration de l'eau dans les fissures, et l'enchaînement des répliques entre elles : la part de chacun de ces facteurs continue de faire débat selon les régions.
- Jusqu'à quand cela dure-t-il ? On connaît des cas où l'activité des répliques semble se poursuivre pendant des dizaines d'années après un grand séisme, et la limite de ce qui constitue une même série d'activités n'est pas fixée.
- Des secousses déclenchées à distance. On a signalé des cas d'activité accrue à des centaines de kilomètres, déclenchée par le passage d'ondes sismiques ; le mécanisme en cause est encore à l'étude.
Autrement dit, le contenu de cet article n'est qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». C'est précisément pour cela que la décision de se mettre rapidement en sécurité après une forte secousse garde tout son sens.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : évolution du sol / proportionnalité et proportion inverse | Faille et glissement, calcul de la baisse du nombre de répliques |
| Lycée | Sciences de la Terre, notions de base (séismes, failles, plaques) | Accumulation, libération et report de la force |
| Lycée+ | Approfondissement / encadré (variation de contrainte) | Variation de contrainte de Coulomb et répartition des répliques |
| Université | Sismologie, mécanique des roches (propagation sous-critique des fissures, lois de frottement) | Mécanisme du retard à la rupture, démonstration de la loi d'Omori |
| Recherche | Sismologie statistique, prévision sismique (en cours) | Distinction des précurseurs, activité déclenchée à distance |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Comment se comporter après une forte secousse, ne pas s'approcher des bâtiments endommagés |
- Agence météorologique du Japon (気象庁), « À propos des séismes » et documents explicatifs sur l'activité sismique après un grand séisme.
- Tokuji Utsu, Jishingaku (« Sismologie », 地震学, éd. Kyoritsu Shuppan / 共立出版), chapitre consacré aux statistiques des répliques et à la loi d'Omori.
- Manuel de lycée de « sciences de la Terre, notions de base », section sur les séismes et les failles.
- Scholz, C. H., "The Mechanics of Earthquakes and Faulting", Cambridge University Press (manuel de référence sur le frottement des failles et les répliques).
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des repères ou des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Pour toute décision réelle concernant l'évacuation ou la sécurité des bâtiments, suivez les consignes de votre municipalité, des pompiers, des autorités locales et les informations publiées par l'Agence météorologique.