Comment fonctionne l’EEW ?

Deux caractéristiques, liées à la vitesse à laquelle les informations sismiques se propagent, rendent l’EEW possible. D’une part, il faut savoir qu’un tremblement de terre émet différents types d’ondes sismiques: les ondes sismiques P de petite amplitude sont les plus rapides, et voyagent à peu près deux fois plus vite que les ondes S plus destructrices et les ondes de surface qui les suivent. D’autre part, les ondes sismiques sont bien plus lentes que les ondes électromagnétiques utilisées dans les systèmes de communication modernes pour transférer les informations. Un système d’EEW efficace enregistre les premières ondes P d’un tremblement de terre grâce à un réseau sismique dense dès que celles-ci atteignent la surface (ou la côte). Les données sont alors immédiatement transmises à un centre de traitement à la vitesse de la lumière, et les informations de stations multiples sont combinées pour prévoir les secousses du sol. Les systèmes développés à l’ETH Zurich prévoient les déplacements du sol en localisant et caractérisant le tremblement de terre. Et sur la base des secousses du sol prévues, le système EEW peut diffuser des alertes vers les zones menacées. Les alertes ciblées permettent à la population de se mettre à l’abri et aux machines (p. ex. les ascenseurs) de se mettre automatiquement en mode sécurisé.

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Délais d’alerte

Un système d’alerte précoce de tremblement de terre doit dans l’idéal donner une alerte aussi efficace que possible dans les zones qui subiront des secousses destructrices. En général, plus un site est proche de la rupture, plus les secousses attendues seront fortes, et plus le délai d’alerte sera court. C’est particulièrement vrai pour des tremblements de terre faibles et modérés, jusqu’à une magnitude de 6.5. Très proche de la faille, là où les secousses seront les plus fortes et les dommages les plus importants, il sera sans doute impossible de lancer l’alerte avant le début des secousses. En effet, le délai entre les ondes P plus faibles et les ondes S plus fortes devient très court. De plus, dans ce cas, même les ondes P peuvent être destructrices. Si une alerte avancée peut être fournie, le délai ne sera que de quelques secondes, voire fractions de seconde. Les délais d’alerte peuvent être supérieurs à des distances plus grandes, mais les secousses seront en général moins fortes.

Il y a deux exceptions à cette règle: premièrement, pour de forts tremblements de terre avec des magnitudes de 6.5 ou plus, la longueur et la durée de la rupture peuvent être importantes. Ainsi, dans les régions éloignées de l’épicentre, mais quand même proches de la rupture, une alerte avancée des fortes secousses est possible. C’est l’argument essentiel pour la mise en place des systèmes d’alerte précoce en Californie le long de la faille de San Andreas. La deuxième exception concerne les zones avec des forts effets locaux. La ville de Mexico, par exemple, est construite sur un bassin sédimentaire profond qui amplifie fortement les mouvements sismiques du sol. Ainsi, même des secousses modérées provoquées par un fort tremblement de terre sur la côte pacifique peuvent entraîner des dommages importants à Mexico. La ville étant située à environ 300 km de la zone de subduction du Pacifique, source importante de tremblements de terre, les délais d’alerte peuvent être particulièrement longs.

Comme exemple simple, prenons un tremblement de terre de magnitude 7.5 avec une zone soumise à de fortes secousses dans un rayon de 55 km, et en supposant une rupture ponctuelle. Les ondes S, qui constituent l’amorce des ondes sismiques d’énergie maximale, se déplacent à une vitesse d’environ 3,5 km/s, alors que les ondes P qui transmettent les premières informations sur le séisme se déplacent à peu près à 6,5 km/s. Un séisme se déclenchant à une profondeur de 10 km sera d’abord détecté à partir des ondes P par un sismomètre situé directement à l’épicentre environ 1,5 s plus tard. A ce point, les ondes S vont arriver seulement environ 1,3 s plus tard, et il semble difficile d’y fournir une alerte avancée. Par contre, ces mêmes ondes S auront besoin d’environ 15 s pour atteindre un site situé à 55 km du tremblement de terre ; si l’on suppose que les délais opérationnels sont d’environ 3 s pour collecter les données sismiques du réseau étendu au centre régional, prévoir les secousses du sol, et envoyer l’alerte, cette dernière pourra être donnée environ 10 s avant le début des fortes secousses du sol à 55 km, alors qu’il sera trop tard pour une alerte à l’épicentre.

L’alerte précoce de tremblement de terre dans le monde entier

L’EEW n’est pas un concept récent. Un système EEW simple a été ébauché dès 1868 par le physicien californien J. D. Cooper dans un article publié dans le San Francisco Daily Bulletin. J. D. Cooper proposait l’installation d’une grille de détecteurs sismiques entre 10 et 100 km de San Francisco. L’activation d’un capteur par une secousse importante devait être télégraphiée à San Francisco, et faire sonner automatiquement une cloche. Malgré la simplicité et la plausibilité de cette idée, le premier système EEW n’a pas été réalisé jusqu’à ce que l’ère de la sismométrie numérique commence à la fin des années 1980. Au Japon, les trains à grande vitesse Shinkansen sont ralentis automatiquement pour prévenir le risque de déraillement après la détection d’un fort tremblement de terre à proximité de la voie ferrée. A la suite du séisme de 1985 qui a dévasté Mexico, un système public a été rendu opérationnel en 1993. Aujourd’hui, l’EEW devient plus courante: en complément du Japon et du Mexique, des systèmes EEW opérationnels ou de démonstration qui envoient des alertes à des utilisateurs tests ou même à la population sont disponibles dans de nombreux pays du monde, notamment la Roumanie, Taiwan, la Turquie, l’Italie, la Suisse, le Chili, le Nicaragua, la Chine et la côte ouest des États-Unis.

L’alerte précoce de tremblement de terre en Suisse

En Suisse, nous pouvons nous attendre à un séisme d’une magnitude de 6 environ tous les 50 à 150 ans. Pour des tremblements de terre de cette puissance, la zone entourant l’épicentre qui subira de fortes secousses n’a un rayon que de 20 à 30 km. En conséquence, il n’y a que très peu de temps entre la première détection d’une onde P et l’arrivée des ondes S destructrices, et le délai d’alerte est, même dans le meilleur des cas, très court. Des procédures automatisées, par exemple la bascule des systèmes en mode sécurisé (arrêt des machines ou des équipements électriques) sont parfaitement adaptées à des délais d’alerte aussi courts. Mais même si elle arrive pendant ou peu après le début des secousses, l’alerte précoce augmentera la prise de conscience de la situation, et dans certains cas permettra à la population de prendre des précautions. Un conducteur de train pourra être averti d’éventuels glissements de terrain, tandis que les autorités peuvent mettre en route des procédures d’urgence. L’EEW peut être ainsi considérée comme une extrémité du spectre d’alertes.

Toutes les stations du réseau national suisse comprennent des capteurs de fortes secousses, et nous visons à une latence de données de 1 s. Avec un réseau de plus de 150 stations, nous fournissons en général des estimations de paramètres de la première source d’un tremblement de terre dans les 8 à 12 s après son occurrence dans tout le pays. L’infrastructure suisse de surveillance est globalement en capacité de contribuer à des EEW, même si elle peut toujours être améliorée pour fournir des alertes plus rapides et plus fiables.

La recherche sur l’alerte précoce de tremblement de terre au SED

Le SED est impliqué dans le développement et les tests de différents algorithmes d’EEW en Suisse et dans le monde entier. Nous nous concentrons sur l’élaboration de logiciels opérationnels qui nous permettent de prendre en compte des scénarios complexes d’EEW, tout en fournissant des alertes plus rapides et plus fiables (voir ci-dessous). Nous construisons également des outils pour diffuser les EEW aux utilisateurs finaux.

Durant la dernière décennie, le groupe de surveillance des tremblements de terre du SED a développé trois algorithmes qui peuvent fournir des estimations rapides de la magnitude et de l’emplacement du tremblement de terre, ainsi que de l’extension de la rupture de faille, les paramètres estimés étant en général disponibles dans les quelques secondes suivant le début de l’évènement.

Le groupe utilise la plateforme de surveillance sismique SeisComP pour la surveillance automatique de la sismicité en Suisse, et pour maintenir le catalogue sismique national. La SeisComP est appréciée pour la surveillance sismique régionale dans le monde entier. Notre stratégie consiste à intégrer nos algorithmes EEW dans la SeisComP, afin d’obtenir un seul environnement pouvant être utilisé à toutes les échelles de temps, et permettre à d’autres groupes d’installer et de tester l’EEW dans leurs propres réseaux.

Les liens suivants mènent à des informations et détails supplémentaires sur les méthodes et logiciels utilisés pour différents produits d’alerte précoce (en Anglais):

• Virtual Seismologist
• Finite-Fault Rupture Detector (FinDer)
• Gutenberg Algorithm (GA)
• Earthquake Early Warning Display (EEWD)
• The ETHZ-SED SeisComP EEW package (ESE) documentation