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Analyse des séismes

La section « Analyse des séismes » se penche sur l’analyse et l’interprétation des formes d’onde et des séismes enregistrés. Les données enregistrées par le SED et d’autres services sismologiques servent de base à de nombreux projets de recherche et projets appliqués. Ces données sont par exemple essentielles pour analyser la structure des Alpes et de l’avant-pays alpin, pour caractériser les failles, pour comprendre la physique intrinsèque qui conduit aux séismes, pour mieux appréhender  leurs statistiques, pour améliorer la prévisibilité des tremblements de terre, mais aussi pour faire la distinction entre séismes naturels, séismes induits et explosions nucléaires.

La section « Analyse des tremblements de terre » est divisée en quatre groupes de recherche qui parfois abordent des problèmes qui leur sont propres, mais qui souvent aussi concernent plusieurs groupes. Le directeur de la section est le professeur Dr Stefan Wiemer.

Le groupe de recherche « Séismes induits » est actuellement dirigé par Dr Antonio Rinaldi et se concentre principalement sur la surveillance, la compréhension des tremblements de terre provoqués par les activités humaines ainsi que sur l'estimation de leur aléa. Les séismes induits constituent un sujet de plus en plus discuté à travers le monde, en raison de la multiplicité des interventions humaines dans le sous-sol susceptibles de déclencher des séismes. En Suisse, les tremblements de terre induits sont principalement liés aux projets de géothermie. A Bâle, de l’eau injectée à haute pression dans le sous-sol a déclenché en 2006 un séisme de magnitude 3.4. En 2013, un tremblement de terre de magnitude 3.5 a eu lieu à Saint-Gall.

D’autres interventions dans le sous-sol peuvent également déclencher des tremblements de terre. C’est le cas par exemple lors de l’injection de CO2 ou d’eaux usées, lors de l’extraction conventionnelle ou non de pétrole ou de gaz naturel par fracturation, ou encore lors d’activités minières ou de percements de tunnels. En outre, des interventions en surface peuvent provoquer des séismes, par exemple lors de la première mise en eau de lacs de retenue.

Le groupe de recherches Séismes induits a surveillé, par l’intermédiaire de réseaux sismiques locaux, de nombreuses séquences de tremblements de terre (p. ex. Saint-Gall, Bâle, Islande), parfois en collaboration avec l’Office fédéral de l’énergie et SuisseEnergie (voir Geobest-CH). En étroite collaboration avec le SCCER-SoE, des méthodes d’estimation et de mitigation des risques sismiques liés aux centrales géothermiques sont développées. En 2015, 2017 et 2019 le groupe a organisé un atelier international qui a rassemblé plus de 150 participants autour du sujet des séismes induits sur le Schatzalp à Davos.

Le groupe de recherche « Sismologie statistique » est dirigé par le professeur Dr. Stefan Wiemer et il étudie comment améliorer à l’aide de méthodes statistiques la compréhension et la prévision des tremblements de terre. Les membres de ce groupe de travail se penchent par exemple sur la création et les tests systématiques des modèles de prévision de tremblements de terre. De tels modèles essaient de représenter aussi précisément que possible les caractéristiques temporelles et spatiales de la sismicité, et d’en déduire une prévision de l’activité sismique des jours, mois ou décennies suivantes. Des analyses statistiques des catalogues sismiques du monde entier permettent de tirer des conclusions sur la sismotectonique, par exemple sur l’origine du magma sous les volcans, la répartition des contraintes dans la croûte terrestre, la vitesse de décroissance des séquences de répliques ou la diffusion des fluides. Un élément important de la recherche consiste également à vérifier la qualité et l’homogénéité des catalogues de tremblements de terre et à les améliorer en permanence.

Le groupe « Sismologie de laboratoire » est dirigé par Dr. Paul Selvadurai et se penche sur les questions fondamentales concernant les processus physiques qui conduisent aux tremblements de terre. Beaucoup de gens pensent que le tremblement de terre est la secousse qu’ils peuvent ressentir. Celle-ci est en fait un sous-produit d’une rupture qui survient dans le sous-sol. C’est cet événement de rupture qui constitue le tremblement de terre, et qui est responsable de la secousse ressentie. Ces événements trouvent leur genèse dans des secteurs fragiles de la Terre appelée failles.

Lorsqu’une rupture se produit dans une faille, elle s’étend rapidement, envoyant des « ondes de choc » - un comportement qui est contrôlé par la physique des frottements. Cependant, ceux-ci ne sont pas parfaitement compris et nécessitent des expériences de laboratoire minutieuses pour étudier des questions fondamentales, telles que : comment les tremblements de terre se préparent-ils ? Pourquoi y a-t-il soudainement un tremblement de terre ? Quels paramètres physiques contrôlent son ampleur ? Et quand s’arrête-t-il ? Pour répondre à ces questions, le groupe utilise des laboratoires de pointe (Laboratoire de physique et de mécanique des roches et LabQuake) et des capteurs développés par l’ETH. Grâce à une meilleure compréhension, la capacité de prévision des tremblements de terre naturels destructeurs progresse. Les recherches du groupe s’étendent également à l’utilité et à l’acceptation sociétale des applications géoénergétiques telles que la géothermie profonde.

Le groupe de recherche « Modélisation de l'aléa & du risque sismique » vise à faire avancer les connaissances dans le domaine des aléas liés aux tremblements de terre. Ses compétences et activités principales couvrent le développement de modèles d’aléa et de risque sismiques, l’analyse probabiliste de l’aléa et du risque sismiques, la constitution de composants clés des modèles (catalogues de séismes, failles actives, modèles d’éléments sismogéniques, prévisions de fréquence de tremblement de terre, modèles de caractéristiques de mouvement du sol, exposition, vulnérabilité des bâtiments, modèles de conséquences), la quantification des incertitudes, l’intégration technique et le développement de logiciels.

Ce groupe de recherche est engagé dans diverses collaborations de recherche nationales et internationales, telles que le modèle de risque sismique de la Suisse pour 2022 et le modèle européen d’aléa et de risque sismiques (www.sera-eu.org). Le groupe collabore étroitement avec la Fondation GEM de Pavie en contribuant au Global Earthquake Model et au développement du logiciel OpenQuake. À l’échelle régionale, le groupe de recherche participe activement au développement et à la maintenance de la plate-forme web de l’European Facilities for Earthquake Hazard and Risk (www.efehr.org). La plate-forme fournit des informations sur les modèles d’aléa et de risque sismiques en Suisse (SuiHaz15), en Europe (ESHM13) et au Moyen-Orient (EMME14). Pour de plus amples informations sur le groupe de recherche, veuillez contacter Dr Laurentiu Danciu.

Le groupe « Interférométrie sismique et imagerie » est dirigé par Dr Anne Obermann. Le terme « interférométrie sismique » fait référence au principe de reconstruction des réponses sismiques associées à des sources virtuelles par corrélation croisée des enregistrements du champ d’ondes sismiques obtenus à différents endroits du récepteur.

Ces réponses sont ensuite utilisées pour obtenir des images de la vitesse et de la distribution de diffusion du sous-sol. Les ondes directes sont utilisées pour l’imagerie statique de la structure de vitesse du sous-sol (tomographie 3D). Cependant, la sensibilité de l’onde directe aux petites variations des propriétés physiques est souvent limitée. Pour arriver à suivre l’évolution dynamique du sous-sol, un grand nombre de travaux se concentrent sur les codas d’ondes sismiques. Semblables à la coda des tremblements de terre, ces sections finales de longue durée des corrélogrammes résultent de la diffusion de l’énergie des ondes au niveau des hétérogénéités de la Terre. Dans les cibles en pleine évolution – chambres magmatiques, zones de failles, réservoirs, etc. – on n’observe parfois que de minuscules perturbations de la contrainte ou de la densité du milieu de propagation. Ces perturbations peuvent être détectées sous la forme de déphasages ou de changements de forme pour les codas d’ondes sismiques très sensibles.

L’intérêt porte non seulement sur l’évolution temporelle, mais aussi sur la répartition spatiale au sein du milieu. Retrouver la distribution spatiale des changements à l’aide des codas d’ondes n’est pas un problème simple étant donné la complexité des trajets des ondes multidiffusées. Le groupe a développé un noyau de sensibilité 3D « probabiliste » pour modéliser les perturbations de la forme d’onde induites par les changements de milieu.

Actuellement, le groupe est en train d’adapter ces méthodes à l’échelle des laboratoires souterrains.