Effet de site lithologique - Eost

S. Auclair (BRGM)
Journée GEOPHYSE – 26 novembre 2010
Caractérisation des effets de site
lithologiques dans le cadre des
microzonages sismiques

_ Risque sismique
Notion de risque
> 2

Aléa « régional » Aléa « local »
_ Risque sismique
Notion d’aléa sismique
Effets de site
topographiques
Effets de site
lithologiques
> 3

Effet de site lithologique : modification locale du
mouvement sismique dû à la géologie et à la
géométrie des couches superficielles
• Dû au piégeage des ondes dans une couche superficielle à
fort contraste de vitesse avec la couche sous-jacente
(substratum sismique)
• Ces effets locaux peuvent aggraver les dommages
potentiels lors d’un séisme
> Paramètres clés :
• Nature des dépôts
• Epaisseur des formations superficielles
• Vitesse de propagation des ondes S
_Effets de site lithologiques
Phénomène
> 4

150 cm/s²
170 cm/s²
35 cm/s²
_ Effets de site lithologiques
Observations
Séisme du
Michoacán,
Mexique, 1985
> 5

Séisme martiniquais du 29 novembre 2007
1 km
_ Effets de site lithologiques
Observations
> 6

_ _Microzonage sismique
Besoins
> Les potentiels dommages aux bâtiments dépendent des
conditions locales de site
> L’évaluation de l’aléa sismique nécessite une connaissance
précise des conditions de site afin de définir des règles de
construction parasismiques adaptées au contexte local
> Outil utilisé : microzonage sismique
• Cartographie et quantification des effets de sites à l’échelle d’une ville
• Définition de zones de réponse sismique homogène
• Pour chaque zone, estimation d’un niveau d’aléa quantifié
> Aléas étudiés
• Effets de site lithologiques
• Effets de site topographiques
• Liquéfaction
• Mouvements de terrain
• Failles actives
> 7

_ _Microzonage sismique
Besoins
> 8

_ _Microzonage sismique
Principe
Caractérisation des effets de site lithologiques
> Deux approches principales en fonction de :
• Enjeux en présence (population, réseaux, hôpitaux, écoles, etc.)
• Connaissance scientifique
• Budget disponible
> 1 . Approche forfaitaire (basée sur la réglementation nationale)
• Basée uniquement sur données disponibles (essentiellement géologie)
• Echelle de restitution inférieure au 1/25 000 e
• Effets de site lithologiques caractérisés par des spectres de réponse
réglementaires
> 2. Approche spécifique
• Acquisition de données complémentaires (mesures géophysiques et
sondages géotechniques)
• Echelle de restitution allant du 1/5 000 e au 1/25 000 e
• Effets de site lithologiques caractérisés par des spectres spécifiques
issus de simulations numériques
> 9

_______Approche forfaitaire
> Cartographie des effets de site lithologiques
principalement basée sur MNT et données géologiques
> Quantification des effets de site à partir des règles
parasismiques en vigueur (règles EC8)
> 10

_______Approche forfaitaire
Case of altered lava
> Limites :
• Formations très meubles et saturées en eau (class S1, S2)
présentent un comportement hautement non-linéaire :
spectres forfaitaires inadaptés
• Certains types de formations sont par nature très
hétérogènes (formations volcaniques altérées et morainiques :
classe A, B, C ou E)
> Approche forfaitaire à utiliser pour zonage
préliminaire et/ou dans le cas de faibles enjeux
> 11

Mesures géophysiques
• H/V : détermination de la fréquence de résonnance (reliée à la
profondeur du substratum)
• SASW : détermination de profils de Vs
> Mesures géotechniques (si étude de liquéfaction)
_______Approche spécifique
> Calcul d’un spectre de réponse élastique spécifique
pour chaque zone à l’aide de simulations 1D
> 12

Effet de site lithologique 1D
Influence de l’épaisseur de la couche superficielle
Couche fine
Sédiments
Substratum
sismique
Résonance à
haute fréquence
_______Approche spécifique
Caractérisation effets de site
Couche épaisse
Sédiments
Substratum
sismique
Résonance à
basse fréquence
> 13

Effet de site lithologique 1D
Influence du contraste de vitesse
Couche lente
Sédiments mous
Vs=150m/s
Amplification
importante
_______Approche spécifique
Caractérisation effets de site
Couche rapide
> L’épaisseur de la couche meuble joue sur la fréquence
de résonance
Sédiments raides
Vs=500m/s
> Le contraste Substratum de vitesse joue sur Substratum l’amplification du
Sismique
Sismique
mouvement Vs=800m/s sismique
Vs=800m/s
Amplification
faible
> 14

Amplification A(f)
• Monocouche :
A =
rocher
– L’amplification dépend du rapport de vitesse
()
ρ
ρ
sol
ρ
ρ
rocher rocher
• Multicouche : A f =
(Joyner et al., 1981) :
– l’amplification dépend des épaisseurs, des vitesses et des fréquences
> Fréquence de résonance f0
• En monocouche, f 0=V sol/4H
– La fréquence de résonance correspond à ¼ du rapport Vitesse/épaisseur
• En multicouche, pas de formule simple
> Coefficient d’amplification A 0=A(f 0)
• C’est le coefficient d’amplification à la fréquence de résonance
V
V
rocher
sol
V
() f V()
f
_______Approche spécifique
Caractérisation effets de site
> 15

_______Approche spécifique
Données d’entrée
> Géologie
• Carte des formations superficielles (Quaternaire) + géologue
• Épaisseur des formations superficielles (souvent déduites de la
BSS)
• BSS
> Géophysique :
• Fréquence de résonance f 0 (liée à l’épaisseur des couches et de
leur vitesse d’onde S)
• Profils de vitesse Vs(z)
> Géotechnique :
• Paramètres géomécaniques (données de pénétromètre ou
pressiomètre par exemple)

Enregistrement de signaux sismiques
• méthode passive (Rapports spectraux : H/V ou Site/référence)
– Site/Référence séismes
Mesure fréquence de résonance (f 0) et amplification (A(f))
– H/V séismes et bruit de fond sismique
Ne mesurent que f 0
• méthode active (SASW Spectral Analysis of Surface Waves )
Mesure le profil de vitesse Vs(z)
_______Approche spécifique
Méthodes géophysiques
Permet de simuler les effets de site 1D : on en déduit f 0 et A(f)

_______Approche spécifique
Rapports spectraux
> Principe général :
• Dans le domaine de Fourier : un signal sismique, c’est le produit d’un
terme de source, de propagation et d’effet de site
– E(f)=S(f) . P(f) . ES(f) avec
E=enregistrement
S=terme de source
P=terme de propagation
ES=terme d’effet de site
• Entre deux signaux sismiques : E 1/E 2=S 1/S 2 . P 1/P 2 . ES 1/ES 2
• Si : S 1=S 2, P 1=P 2 et ES 2=1 alors ES 1=E 1/E 2
> Plusieurs méthodes pour calculer ES1 : rapports spectraux
• H/V séisme ou bruit de fond : suppose que seules les composantes
horizontales sont affectées par les effets de site
• Site/référence : nécessite une station de référence au rocher, sans effet
topographique et proche du site à étudier

Mise en œuvre des mesures
Microzonage d’Al Hoceima, 2004
_______Approche spécifique
Rapports spectraux
Mise en œuvre simple:
1 capteur + 1 enregistreur + 1
opérateur
Station fixe pour les enregistrements
de séismes : installation permanente
ou temporaire – de quelques jours à
quelques semaines
Station temporaire pour les mesures
de bruit de fond : mesure réalisée en
une vingtaine de minutes

_______Approche spécifique
Rapports spectraux
Exemple de résultats (H/V bruit de fond)
Sans effet de site Avec effet de site
f 0
Microzonage de Lourdes, 2006

A 0
A(f)
Exemple de résultats (site/référence)
f 0
Étude des effets de site à Mexico (Roullé, 2004)
_______Approche spécifique
Rapports spectraux
Rapports Site/Référence obtenus dans
la Colonia Roma (Mexico) suite au
séisme de Colima du 22/01/2003
(M=7.6)
Station de référence: station en fond de
puits (102 m de profondeur)

_______Approche spécifique
Rapports spectraux
> Méthode H/V bruit de fond :
• Avantages:
– Applicable partout, même en zone de sismicité faible
– Facile à implémenter
• Inconvénients:
– Ne donne accès qu’à f 0
– Très sensible aux conditions de mesure (vent, pluie, présence de bruits parasites…)
– Pour les résonances BF, nécessite l’utilisation de capteurs large-bande plus longs à
stabiliser et plus chers
> Méthode séismes :
• Avantages:
– Donne une estimation de f 0 pour les 2 techniques, et de A(f) pour la méthode
Site/référence
• Inconvénients:
– Nécessite un séisme (problème dans les zones à sismicité faible à modérée)
– Choix de la station de référence (idéalement, station de puits)
– Nécessite des enregistrements synchrones
– Nécessite une bonne couverture en azimut, en distance et en magnitude pour une
interprétation complète des effets de site (cas de la Cerdagne
où l’on voit les résonances BF ou HF selon les séismes)

_______Approche spécifique
SASW (Spectral Analysis of Surface Waves)
> Principe général :
• Méthode active basée sur la dispersion des ondes de surface
(variation de la vitesse en fonction de la fréquence)
> Méthodologie :
• Enregistrement par des géophones du signal sismique émis par une
chute de poids
• Somme des traces dans le domaine tau-p (diagramme de dispersion)
• Pointé de la courbe de dispersion
• Inversion pour obtention du modèle de vitesse

Ligne de capteurs (24 capteurs espacés
de 2m) et station d’acquisition
Mise en œuvre des mesures
_______Approche spécifique
SASW (Spectral Analysis of Surface Waves)
Source
Microzonage d’Al Hoceima, 2004

Traces brutes
sommation
Microzonage de Lourdes, 2006
Traitement des données
inversion
Diagramme de dispersion
Courbe de dispersion pointée
_______Approche spécifique
SASW (Spectral Analysis of Surface Waves)
Vs(z)
A(f) et f 0

_______Approche spécifique
SASW (Spectral Analysis of Surface Waves)
> Avantages SASW :
• Méthode active, très efficace en surface ~40 m
• Donne un profil de vitesse d’ondes S avec la
profondeur
• Données d’entrée pour une simulation numérique 1D
des effets de site : possibilité d’en déduire A(f) et f 0
• Complémentaire des méthodes type H/V
> Inconvénients :
• Peu profond (~40 m) : peu utile dans le cas de bassin
profond (Cerdagne, Mulhouse, Bâle)
• Interprétation doit être confrontée à la géologie
(quelquefois méconnue)
• Pas d’estimation des incertitudes

_______Approche spécifique
Caractérisation effets de site
> 27

______________Conclusions
> Observations : les conditions locales (et en particulier la géologie)
peuvent modifier de manière importante les mouvements sismiques
> Nécessité de cartographier les zones de réponse sismique
homogène et d’y quantifier le niveau d’aléa : outil = Microzonage
Sismique
> 2 approches pour le microzonage :
• Approche forfaitaire basée sur les règles parasismiques en vigueur :
applicable pour zonage préliminaire ou pour zones à faible enjeu et/ou
aléa
• Approche spécifique pour cartographie quantitative du niveau d’aléa :
applicable pour zonage fin et pour zones à fort enjeu et/ou aléa
> Apports de la géophysique
• La réalisation de reconnaissances géophysiques « légères » permet de
caractériser finement le niveau d’aléa sismique local
– Mesures de rapports spectraux (notamment mesures H/V)
– Profils sismiques SASW
> 28