Pourquoi le même séisme secoue-t-il plus fort que la ville voisine ?
– Le sol mou amplifie les secousses
Après un séisme, les infos affichent la liste des intensités. La distance à l'épicentre est presque la même, mais votre ville a un degré de plus que sa voisine. Cela arrive souvent. Ce n'est ni la faute des bâtiments, ni la malchance : c'est le sol sous vos pieds. Une couche molle amplifie fortement les secousses venues d'en bas.
Le soir, votre smartphone sonne : alerte sismique. Les secousses s'arrêtent vite. Vous allumez la télé : des chiffres d'intensité couvrent la carte.
Votre ville affiche 5 faible. Mais la ville perchée de l'autre côté de la rivière affiche 4. La distance à l'épicentre est presque la même.
Même séisme, distance voisine : pourquoi une telle différence ? La réponse se cache dans la « composition » du sol.
Deux raisons seulement expliquent des secousses plus fortes
Les secousses montent depuis le roc dur et profond. En entrant dans une couche molle, elles ralentissent. Leur énergie se concentre alors dans un espace plus étroit, et leur amplitude augmente.
Comme une balançoire, une couche molle vibre facilement à un rythme précis. Si les secousses du séisme contiennent ce rythme, elles grandissent sans cesse. C'est la résonance.
Ni l'une ni l'autre ne dépend de la taille du séisme lui-même. Pour une même secousse reçue, le sol qui la reçoit peut multiplier le mouvement en surface plusieurs fois.
Dans le sol mou, les secousses « gonflent »
Regardez la figure 1. À gauche, une ville où le roc dur affleure jusqu'à la surface. À droite, une ville où une couche molle de sable et de boue repose sur le roc dur. Des deux côtés, la même secousse arrive d'en bas.
La vitesse des secousses dépend beaucoup de la dureté du sol. On estime qu'elle est d'environ 700 m/s dans le roc dur, et d'environ 100 m/s dans la boue molle. Là où elles ralentissent, les secousses arrivées après rattrapent celles de devant. L'énergie transportée s'entasse.
C'est le même mécanisme que les vagues du large qui grandissent près du rivage. En eau peu profonde, la vague ralentit et se dresse. Dans le calcul de la figure 1, selon la mollesse de la couche, l'amplitude des secousses peut atteindre environ 3 fois.
Quand l'amplitude triple, l'intensité monte d'environ un degré. En effet, l'échelle d'intensité progresse par pas constants chaque fois que la secousse double, puis quadruple. Le « un degré de plus que la ville voisine » du début correspond à peu près à cet écart.
Une couche fait grandir les secousses à son propre rythme
La couche molle a une autre mauvaise propriété : elle tout entière vibre facilement à un rythme précis. Pour une épaisseur de 20 m et une vitesse de 100 m/s, on estime ce rythme à environ 0,8 s par aller-retour.
Les secousses d'un séisme mêlent des rythmes rapides et lents. Si le rythme favori de la couche s'y trouve, les secousses s'additionnent et grandissent, comme quand on pousse une balançoire au bon moment. Regardez la partie gauche de la figure 2 : la surface, tout en haut de la couche, bouge le plus, et la frontière avec le roc ne bouge presque pas.
Les bâtiments aussi ont leur rythme. En première approche, c'est « nombre d'étages × 0,1 s » : environ 0,8 s pour 8 étages. Quand le rythme du sol et celui du bâtiment coïncident, la résonance se double. Lors du séisme de 1985 au Mexique, dans la capitale, à plus de 300 km de l'épicentre, des immeubles de hauteur moyenne bâtis sur un ancien lac comblé se seraient effondrés en nombre.
Dans une couche molle, les secousses sont non seulement plus fortes, mais durent plus longtemps. Elles font des allers-retours verticaux dans la couche et s'échappent difficilement. Si, après un séisme, vous avez eu l'impression que « chez nous, ça a duré plus longtemps », ce n'est pas forcément une illusion.
On les trouve surtout dans les terrains gagnés sur la mer ou les lacs, les plaines basses le long des rivières, les anciens marais et rizières, et les terrains aménagés en comblant des vallées. Tous sont des sols récents, formés de sable et de boue déposés par l'eau.
Alors, que faire ?
Les habitants ne peuvent pas changer la dureté du sol. Mais ils peuvent savoir à l'avance si leur sol vibre facilement. Avec cette information, on peut décider de ses priorités de préparation.
- Quand ça secoue, protégez d'abord la têteGlissez-vous sous une table, ou couvrez la tête avec un sac ou un coussin, en restant bas. Ne bougez qu'une fois les secousses terminées.
- Dormez là où les meubles ne peuvent pas tomber sur vousPlus le sol est vibrant, plus les meubles sont secoués. Évitez de placer de grands meubles près de l'endroit où l'on dort.
- Regardez en famille la « vibrabilité » de votre lieu de vieLes cartes de risques de votre commune, ou celles de l'institut national de recherche sur les sciences de la Terre et la prévention des catastrophes, permettent de vérifier la souplesse du sol de votre domicile.
Fixez les meubles au mur et choisissez dans la maison un « refuge » loin des vitres et des luminaires. Une fois les secousses terminées, vérifiez les sources de feu et, s'il y a des blessés, appelez le 119 (numéro d'urgence japonais). Si vous sentez que le bâtiment penche ou se fissure, n'insistez pas : évacuez. Suivez aussi les consignes d'évacuation de votre commune.
En résumé
Pour un même séisme, c'est le sol sous vos pieds qui décide des secousses en surface. Une couche molle comprime les secousses ralenties et gonfle leur amplitude d'environ 3 fois, puis les fait grandir au rythme fixé par son épaisseur. Voilà pourquoi, à même distance de l'épicentre, l'intensité peut différer d'un degré.
La force des secousses ne dépend pas que du séisme.
Pour moitié, c'est le sol sous vos pieds qui décide.
Le mécanisme par lequel les secousses arrivent d'en bas est expliqué dans Pourquoi le « tic-tac » d'un séisme arrive-t-il avant le « grand roulis » ?, et le phénomène par lequel un sol mou s'effondre encore davantage dans Pourquoi la liquéfaction transforme-t-elle le sol en « eau » ?. Le mécanisme des vagues qui grandissent en eau peu profonde se retrouve dans l'article sur les tsunamis, et celui des secousses qui grandissent quand les rythmes s'accordent dans l'article sur la balançoire.
- Posez sur une assiette une gelée (ou un flan) démoulée. Mettez côte à côte une gelée ferme et une gelée molle : la différence se voit mieux.
- Secouez doucement l'assiette de gauche à droite, à petits mouvements lents. Vérifiez que le sommet de la gelée bouge plus que l'assiette.
- Accélérez peu à peu le rythme. Cherchez le rythme où le sommet de la gelée bouge le plus. Plus la gelée est molle, plus ce rythme devrait être lent.
L'assiette représente le « roc » et la gelée la « couche molle ». Vous pouvez aussi essayer : plus la gelée est haute, plus son rythme préféré est lent.
Pour aller plus loin – termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de physique ou de sciences de la Terre du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matière universitaire non vue au lycée (sismologie, génie parasismique)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, non enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Amplification de site : augmentation des secousses d'un séisme par les couches molles proches de la surface. Son facteur, appelé « facteur d'amplification du sol superficiel », est publié sur des cartes.
- Période propre : durée d'un aller-retour à laquelle une couche ou un bâtiment vibre le plus facilement.
- Résonance : forte croissance des secousses quand le rythme venu de l'extérieur coïncide avec la période propre.
CollègeLycéeVérifier par la formule : de combien l'amplitude est-elle multipliée ?
On suppose que l'énergie transportée par les secousses (le flux d'énergie) ne se perd pas en franchissant la frontière. Plus la couche est lente et molle, plus il faut une grande amplitude pour transporter la même énergie. À partir de cette idée, on estime le facteur d'amplitude et la période propre de la couche.
| En symboles | As ÷ Ab ＝ √( ρb × Vb ÷ ( ρs × Vs ) ) ／ T ＝ 4 × H ÷ Vs |
| En mots | Facteur d'amplitude = racine carrée de (masse volumique du roc × vitesse dans le roc) ÷ (masse volumique de la couche × vitesse dans la couche). Période propre = 4 × épaisseur de la couche ÷ vitesse dans la couche. |
| D'où viennent-elles ? | La première vient de la conservation, de part et d'autre de la frontière, du flux d'énergie des secousses (proportionnel à masse volumique × vitesse × amplitude au carré). La seconde vient du fait qu'il y a résonance quand l'épaisseur de la couche vaut exactement un quart de la longueur d'onde. |
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| As, Ab | Amplitude des secousses dans la couche, dans le roc |
| ρb, ρs | Masse volumique du roc, de la couche (unité : g/cm³) |
| Vb, Vs | Vitesse des secousses transversales dans le roc, dans la couche (unité : m/s) |
| H | Épaisseur de la couche molle (unité : m) |
| T | Période propre de la couche (unité : s) |
| Masse volumique et vitesse du roc (ordre de grandeur) | 2,0 g/cm³, 700 m/s |
| Masse volumique et vitesse de la couche de boue molle (ordre de grandeur) | 1,6 g/cm³, 100 m/s |
| Épaisseur de la couche (exemple) | 20 m |
| Période propre d'un bâtiment (ordre de grandeur) | 0,1 s par étage |
| « Masse volumique × vitesse » du roc | 2,0 × 700 ＝ 1400 |
| « Masse volumique × vitesse » de la couche | 1,6 × 100 ＝ 160 |
| Leur rapport | 1400 ÷ 160 ＝ 8,75 |
| Facteur d'amplitude | Racine carrée de 8,75 ≈ 2,96. Environ 3 fois |
| Hausse d'intensité (logarithme décimal de 3 ≈ 0,48) | 2 × 0,48 ＝ 0,96 |
| Numérateur de la période | 4 × 20 ＝ 80 |
| Période propre de la couche | 80 ÷ 100 ＝ 0,8 s |
| Nombre d'étages à période égale | 0,8 ÷ 0,1 ＝ 8 étages |
Dans une couche de boue molle, l'amplitude des secousses vaut environ 3 fois celle dans le roc, soit environ un degré d'intensité. Une couche de 20 m vibre volontiers au rythme de 0,8 s et entre facilement en résonance avec un bâtiment d'environ 8 étages : c'est l'estimation. Le facteur réel varie selon l'empilement des couches et la force des secousses.
LycéeLycée+Le point de vue des ondes
LycéeLes secousses d'un séisme sont aussi des ondes. La vitesse d'une onde vaut « longueur d'onde ÷ période », et la période ne change pas en franchissant la frontière. Les secousses entrées dans la couche lente voient donc leur longueur d'onde se raccourcir. Quand il se forme une onde stationnaire avec un nœud à la base de la couche d'épaisseur H et un ventre en surface, l'épaisseur vaut le quart de la longueur d'onde. C'est l'origine de la formule de période 4H÷Vs, de même forme que la résonance d'une colonne d'air dans un tuyau fermé à un bout.
Lycée+L'intensité est fixée par l'« intensité instrumentale », calculée à partir de l'accélération enregistrée par les sismographes. Elle est définie pour croître d'environ deux fois le logarithme décimal de l'accélération : des secousses doublées ajoutent environ 0,6, triplées environ 1.
Univ.Rapport d'impédance et fonction de transfert du sol
Le produit masse volumique × vitesse s'appelle en sismologie « impédance sismique », la même grandeur que l'impédance acoustique du monde du son. La formule à racine carrée du texte est une approximation valable quand les propriétés changent progressivement. Pour une couche unique à frontière nette, la secousse en surface s'exprime par une « fonction de transfert », dont le facteur varie avec la période. Il est maximal à la période de résonance, et sa hauteur dépend du rapport d'impédance et de l'amortissement de la couche. En pratique, on estime la période propre à partir des enregistrements de sismographes en surface et en profondeur, ou du rapport spectral entre mouvements horizontal et vertical du bruit de fond (rapport spectral H/V). Le séisme du Mexique de 1985 figure dans tous les manuels comme l'exemple type d'amplification de site à longue période par des sédiments lacustres.
📖 Démonstrations des formules et suite : Wikipédia « Impédance acoustique » (en japonais) ／ Wikipédia « Séisme de 1985 au Mexique » (en japonais)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- Sous de fortes secousses, la couche s'amollit. Quand les secousses se renforcent, les grains du sol glissent les uns sur les autres : la couche devient encore plus molle et sa période s'allonge. À quel point on peut prédire ce comportement « non linéaire » fait encore l'objet de recherches.
- Au bord des bassins, les secousses se superposent. Dans les bassins profonds qui forment les plaines, les ondes courbées au bord peuvent se superposer et concentrer les dégâts en bandes. Prévoir où elles se superposent exige une étude détaillée de la forme du sous-sol.
- Limite de résolution des cartes. Les cartes publiées de vibrabilité sont des moyennes par carrés de quelques centaines de mètres. Dans un même carré, un terrain de vallée comblée et l'ancienne crête peuvent vibrer différemment : évaluer chaque maison reste difficile.
Le contenu de cet article est donc lui aussi « une explication dans l'état actuel des connaissances ». En particulier, considérez les facteurs chiffrés comme des estimations qui simplifient les propriétés des couches.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « Les changements de la Terre (séismes) » | Intensité, secousses venues du sous-sol |
| Lycée | Physique « Les ondes » · Sciences de la Terre « Séismes » | Longueur d'onde et période, résonance au quart d'onde |
| Lycée+ | Définition de l'intensité instrumentale (logarithme décimal) | Secousses ×3 : environ un degré |
| Univ. | Sismologie, génie parasismique | Impédance sismique, fonction de transfert, rapport spectral H/V |
| Recherche | Sismologie des forts mouvements | Non-linéarité des sols, concentration des secousses au bord des bassins |
| – | Lien avec la vie quotidienne | Vérifier le sol de son logement, fixer les meubles, choisir où dormir |
- National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience (防災科学技術研究所), « J-SHIS Seismic Hazard Station » (carte des facteurs d'amplification du sol superficiel)
- Agence météorologique du Japon (気象庁), site officiel (explications sur l'intensité et l'intensité instrumentale)
- Wikipédia (ja) « メキシコ地震 (1985年) » (séisme du Mexique de 1985)
- Hiroaki Yamanaka (山中浩明), dir., 『地震の揺れを科学する ― みえてきた強震動の姿』 (La science des secousses sismiques : le visage des forts mouvements), 東京大学出版会 (Presses de l'Université de Tokyo)
- Cabinet Office (内閣府), « 地盤のゆれやすさ全国マップ » (carte nationale de la vibrabilité des sols)
* Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre les mécanismes. Pour décider d'une évacuation ou de la sécurité d'un bâtiment, suivez les consignes de votre commune et les informations des pompiers, des collectivités et de l'Agence météorologique du Japon.