Le séisme du Japon : Questions scientifiques clés

Le séisme qui a frappé le Japon le 11 mars 2011 avait une magnitude de 9, ce qui le place comme 4ème plus gros séisme observé, et le plus gros au Japon, y compris sur le plan historique si l’on en croit les évaluations. Il a concerné une zone de 500 à 600 km d’extension sur la subduction Pacifique au large du Japon.

Vous pouvez trouver de très nombreux renseignements sur internet.

Le séisme correspond-il aux scenarii prévus ?

En 2005 les scientifiques en charge de l’estimation de l’aléa sismique au Japon (National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention) avaient estimé la magnitude potentielle des séismes dans la nord-est du Japon et la probabilité d’occurrence de ces séismes dans les 30 prochaines années (2005-2035). Un séisme de magnitude 7.5 était bien envisagé sur une portion de la zone ayant rompue vendredi 11 mars 2011 avec une probabilité d’occurrence de 99% avant 2035.
Un séisme de subduction de magnitude 8.2 était aussi envisagé avec une probabilité de 20%.
Ce type de carte d’aléa probabiliste est utilisé pour la réalisation des zonages réglementaires liés au bâtiment courant (autre que nucléaire ou chimique). Nous n’avons pas à l’heure actuelle toutes les informations relatives aux scenarii envisagés pour estimer les risques Tsunami et sismiques des installations nucléaires dans cette partie du Japon.
Les premières informations disponibles et la relecture des documents techniques et scientifiques suggèrent que le séisme de magnitude 9 du 11/03 pourrait être supérieur aux scenarii envisagés. Cette sous-estimation semble principalement liée au fait que les scenarii envisagés, basés généralement sur l’étude des séismes passés, considéraient que cette portion de la plaque devait rompre en plusieurs morceaux, par plusieurs séismes et non en un seul événement.
Le retour d’expérience du séisme du 11/03 (et d’autres exemples moins dramatiques) montre que les séismes sont capables de casser plusieurs segments d’une même faille et qu’il est pour cette raison très difficile d’estimer la magnitude maximale possible sur un réseau de failles.
L’analyse des séismes historiques passés ne donne ainsi qu’une borne minimale aux séismes potentiels dans une région donnée.

Comment expliquer la grande extension des dommages ?

Bien que la taille du séisme (500km par 100km) fut exceptionnelle, les constructions ont bien résistée aux vibrations sismiques. Les précautions pour protéger le bâti conventionnel ont été fort utiles. Les dommages sont essentiellement dus au tsunami de grande ampleur qui fut d’une amplitude similaire à celle des tsunamis déclenchés par des séismes légèrement plus au Nord comme le séisme de Meiji-Sanriku (1896) avec des hauteurs de vague de plus de 30m [1] en raison de marées hautes ou le séisme de
Sanriku (1933) avec une montée des eaux de plus de 25m.

Cette grande extension des zones affectées explique très probablement la difficulté à remettre en état les réseaux électriques et les réseaux d’eau pourtant critiques.

Les niveaux de dimensionnement sismiques des installations nucléaires ont-ils été dépassés ?

Les règles parasismiques des installations nucléaires japonaises avaient été renforcées en 2006 suite à un travail engagé au lendemain du séisme de Kobe en 1995. Le dernier niveau d’accélération pris en compte suite à cette révision pour la centrale de Fukushima semble être de 600 cm/s2. Ce calcul était lié au scenario d’un séisme de magnitude 7.1 à courte distance soit un scenario différent du séisme de vendredi dernier. Ce niveau était de 370 cm/s2 avant 2006.
Les mesures des réseaux accélérométriques japonais montrent des valeurs médianes de l’ordre de 500-600 cm/s2 sur toute la côte Nord-Est, ce qui indique que les niveaux d’accélération utilisés pour le dimensionnement ont probablement été dépassés.

Trois points doivent cependant être considérés pour comprendre les incertitudes et les discussions liées aux effets du séisme sur ce type d’installation :

– Le retour d’expérience du séisme de Niigata (juillet 2007) avait montré que les centrales japonaises étaient capables de supporter des niveaux d’accélérations supérieurs à ceux utilisés pour leur dimensionnement. La résistance d’une installation à un séisme est donc liée au niveau sismique de dimensionnement (caractéristiques des vibrations envisagées lors de la construction) et des marges existantes (difficiles à évaluer) au delà de ce niveau de dimensionnement [2].

– Les problèmes rencontrés actuellement (incident de niveau 6, le niveau le plus important à ce jour pour la filière nucléaire japonaise) sont aussi liés au Tsunami (destruction des moyens de refroidissement). Il est donc important de souligner les difficultés associées aux risques cumulés.

– L’accélération maximale engendrée par les vibrations (paramètre utilisé traditionnellement pour qualifier l’amplitude des vibrations) n’est pas le paramètre le plus pertinent pour évaluer la nocivité des vibrations. En effet, un tel séisme se caractérise surtout par une durée très longue des vibrations plus que par des accélérations très fortes.

Pourquoi des dégâts exceptionnels dans un pays pourtant réputé pour sa préparation aux séismes ?

Les images que nous pouvons voir montrent de terribles effets du déferlement du tsunami au delà des digues de protection et des problèmes qui ont suivis pour les centrales nucléaires de la cote.

Par contre les images diffusées ne montrent pas ces exemples de grands bâtiments effondrés qui ont fait de très nombreuses victimes à Mexico ou à Haïti.

Ceci mérite explication. Malgré la magnitude très importante du séisme, les vibrations produites n’ont pas été à l’origine de destructions massives. Plusieurs éléments peuvent l’expliquer :

– la qualité de la construction, en particulier pour les grands édifices où des règles contraignantes sont appliquées. C’est un élément d’explication seulement car au Japon comme ailleurs il existe un nombre importants de bâtiments anciens qui n’ont pas été construits suivant les règles en vigueur aujourd’hui.

– la position de la zone de glissement qui engendrent les ondes sismiques : à des profondeurs de l’ordre de 30 à 50 km et à des distances qui excédent la centaine de kilomètres des grandes agglomération. La distance et la profondeur sont des éléments important car les ondes de fréquences élevées, auxquels sont sensibles les constructions s’atténuent vite et sont moins fortement excités pour des sources en profondeur. On serait donc dans une situation beaucoup plus favorable que dans le cas d’Haïti (source superficielle à proche distance) mais la magnitude est beaucoup plus élevée au Japon : 9 au lieu de 7.2 à Haïti (ce qui fait un rapport d’énergie de l’ordre de 500 quand même).

Le point important est donc de comprendre le sens de ces valeurs de magnitude. Pour faire simple, les ondes haute fréquence (0.1-10Hz, celles qui détruisent les immeubles) sont émises sur la faille proportionnellement à la contrainte qui est relâchée. Or cette contrainte, qui dépend de la résistance maximale que la friction oppose au glissement, est une caractéristique des roches et peut être considérée comme une constante au premier ordre. Ce n’est pas la contrainte relâchée qui augmente avec la magnitude, c’est essentiellement la taille du séisme. Une très petite zone d’émission pour une faible magnitude (1 km2 pour magnitude 4) et une immense pour le séisme du Japon. Mais les ondes s’atténuent avec la distance et celles émises par les différentes régions de la faille ne se composent de manière cohérente. Il en résulte que les accélérations maximales du sol n’augmentent pas comme la puissance du moment. Heureusement.

On retient que les observations des mouvements du sol à haute fréquence, qui ont une forte variabilité intrinsèque, n’augmentent pas significativement entre une magnitude de 8 et de 9. C’est la zone concernée qui s’agrandit, avec évidemment, une accumulation plus importante de dégâts.

Dans le cas de la cote Est du Japon, les sismologues Japonais avaient considéré que le scénarios de rupture mettait en jeu plusieurs segments qui casseraient de manière indépendante. Cette idée s’appuyait d’une part sur la géométrie complexe du plan de subduction, des indications géodésiques qui montrent le caractère hétérogène du couplage entre les plaques à l’échelle de la région et surtout les observations historiques qui indiquent des répétions de séismes de magnitude comprise entre 7 et 8. Cette erreur d’interprétation (puisque c’est bien plusieurs de ces segments qui ont cassé simultanément) et de valeur de magnitude n’a sans doute pas une conséquence dramatique pour le niveau des ondes haute-fréquence. C’est ce que suggère la généralement bonne tenue des bâtiments. Par contre cette référence à plusieurs segments a une conséquence dramatique sur le dimensionnement des protections contre les tsunamis.

Un mot sur la genèse des tsunamis : le tsunamis sont engendré par le déplacement vertical qui affecte le fond de la mer. En effet, un séisme de subduction produit une déformation permanente avec une forte composante verticale. C’est ce changement topographique, et le rééquilibrage des masses d’eau, qui produit le tsunami.

Les images montrant le déferlement de la mer au dessus des digues indiquent bien que ces dernières ont été sous dimensionnées par rapport au séisme du 11 mars. Alors pourquoi cette fois la question de la magnitude prend-t-elle toute son importance ?
Si l’on accepte que le relâchement de contrainte soit à peu près constant, le glissement sur la faille grandit linéairement avec l’extension latérale du séisme. C’est une loi d’échelle. Intuitivement cela exprime l’idée qu’il est plus facile de forcer un grand glissement sur une grande fissure que sur une petite. Avec une magnitude de 9, le séisme qui s’est effectivement produit correspond à des glissements totaux bien plus grands que ceux attendu pour un séisme de magnitude 8. Un simple calcul de premier ordre suggère un rapport de 3 en glissement. La masse d’eau mise en mouvement par les mouvements verticaux par unité de longueur de subduction est donc elle aussi dans un rapport 3 pour des séismes de magnitude 8 ou 9. La hauteur de la lame d’eau sur la côte sera proportionnelle au mouvement vertical.

Les images montrent le débordement de digues de protection par une montée des eaux qui a atteint autour de 10 m. Si le scénario en magnitude inférieure ou égale à 8 avait été le bon, le dimensionnement aurait été suffisant pour une montée de 3 m.
Ce dramatique exemple montre comment l’hypothèse de base des scénarios est déterminante. Il est malheureusement probable que le dimensionnement requis pour se protéger de ce tsunami aurait été jugé extravagant pour des arguments qui semblaient raisonnables. Mais nos observations historiques ne nous donnent que des magnitudes minimales à prendre en compte, de méga-séismes comme celui-ci, sans doute très rares, très « improbables », viennent nous le rappeler douloureusement.

Liens scientifiques utiles pour comprendre

Autres analyses

– Richard Monastersky dans le Scientific Amercian
– sur le landslide blog (agu)

Informations sur le séisme

– http://www.jma.go.jp/jma/en/News/20...
– http://earthquake.usgs.gov/earthqua...
– http://www.emsc-csem.org/
– https://sites.google.com/site/cellu...
– http://www.insu.cnrs.fr/a3738,seism...

Séismes et Sûreté nucléaire

– http://www.irsn.fr/FR/
– http://www.iter-consult.it/Meetings...

Cartes d’aléa sismique du Japon (avant le séisme) établies pour le bâti conventionnel

– http://www.jishin.go.jp/main/chousa...