G@zette 203/204, janvier 2003

Les recherches sismiques à l'IPSN
ÉVALUATION DE L'ALÉA SISMIQUE PAR L'IPSN
IPSN - novembre 1999
Sûreté nucléaire
1/ L'aléa sismique
     L'étude des risques liés aux tremblements de terre et le dimensionnement des installations à l'égard des séismes font partie des données essentielles de la sûreté des installations nucléaires. Les vibrations engendrées par un séisme peuvent en effet entraîner une défaillance des dispositifs assurant le confinement de la radioactivité.
     En France, la réglementation impose que les installations nucléaires soient construites de façon à résister aux mouvements telluriques les plus agressifs susceptibles de les menacer. Pour chaque cas, le niveau de référence retenu est celui du “séisme majoré de sécurité”, c'est à dire celui du plus fort séisme ayant pu affecter le site dans le passé (ou “séisme maximal historiquement vraisemblable”), augmenté d'un degré d'intensité.
     Déterminer ce niveau de référence correspond à ce que l'on appelle l'évaluation de l'aléa sismique. Cela implique de:
   · définir le plus précisément possible la taille (magnitude) et le lieu des épicentres des tremblements de terre plausibles.
   · puis estimer le type de l'ampleur des mouvements du sol qu'ils entraîneraient en surface.

2/ Des recherches au service de l'expertise
     Compte tenu des besoins de développement des connaissances sismologiques pour apprécier la sûreté des installations nucléaires, l'Institut de protection et de sûreté nucléaire (IPSN) est doté d'un bureau de recherche spécialement dédié à l'évaluation de l'aléa sismique ; le Bureau d'évaluation des risques sismiques pour la sûreté des installations nucléaires (BERSSIN).
     Implanté à Fontenay-aux-Roses, dans les Hauts-de-Seine, ce laboratoire fait partie du Département de protection de l'environnement de l'IPSN. Il est constitué d'une équipe jeune, dirigée par Fabrice Cotton et composée d'une dizaine d'ingénieurs-chercheurs dont les spécialités témoignent de l'interdisciplinarité voulue pour cette structure : géologiques, sismologiques et spécialistes en métrologie…
     Depuis une quinzaine d'années, le BERSSIN mène des recherches très ciblées sur la sismicité française. Ces études sont conduites en liaison avec des équipes scientifiques françaises et étrangères et s'appuient sur le développement de techniques de pointe dans les domaines de la géologie dynamique, de la géodésie et de la sismologie.
     Dans un premier temps, les résultats de ces travaux ont permis à l'IPSN d'élaborer une méthode d'évaluation de l'aléa sismique, spécifiquement adaptée au contexte sismotectonique français. Retenue par les pouvoirs publics pour la sûreté des installations nucléaires, cette méthode est adoptée depuis 1993 pour les installations classées.

3/ Principales recherches sismiques en cours à l'IPSN
     Les études en cours à l'IPSN visent désormais à faire évoluer la méthode d'évaluation de l'aléa sismique et à réduire les incertitudes, aussi bien dans la définition des séismes de référence que dans le calcul du mouvement sismique. Cet objectif exige de conjuguer les recherches théoriques et l'expérimentation.
     Trois importants programmes expérimentaux sont ainsi menés par l'Institut :
   · Le développement d'une méthode d'étude des failles cachées, projet conduit dans la région de la moyenne-Durance, autour de Manosque.
   · Deux projets d'étude “ des effets de site ”, visant à prévoir l'amplification du mouvement du sol créé par les séismes en présence de couches géologiques “molles”, conduits dans le bassin de Grenoble et en Californie du sud, sur le site de Garner Valley.

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Cadre réglementaire
pour les installations nucléaires de base
     Dès le lancement du programme nucléaire électronucléaire, l'autorité de sûreté nucléaire française a porté une attention particulière à l'analyse du risque sismique. L'administration s'est pour cela appuyée sur l'IPSN, qui a ainsi entrepris des travaux dans le domaine de la géologie dynamique, de la géophysique et de la sismologie. Ceux-ci ont conduit à l'élaboration d'une méthode spécifique en matière d'évaluation de l'aléa sismique, appropriée au contexte sismotectonique français.
     Cette démarche, codifiée en 1981 et actualisée en 1998 dans une Règle Fondamentale de Sûreté (RFS 1.2.c), est de type déterministe et comporte plusieurs étapes.
   · Pour chaque site, on détermine d'abord un “Séisme Maximal Historiquement Vraisemblable” (SMHV), caractérisé par son intensité (niveau de dégâts qu'il produirait), sa magnitude et sa profondeur. Le calcul de ce SMHV est effectué à partir d'études visant à identifier et à caractériser les zones homogènes du point de vue de la géodynamique, et en analysant la sismicité historique (tremblements de terre recensés depuis 1000 ans) et instrumentale (séismes récents enregistrés par des sismographes) autour du site.
   · À partir du SMHV, on détermine alors le “ Séisme Majoré de Sécurité ” (SMS) en majorant le niveau d'intensité d'une unité.
   · Il faut ensuite évaluer le mouvement sismique associé à ce SMS, qui sera la donnée de base pour le dimensionnement parasismique de l'installation. En raison du manque d'enregistrements obtenus en France sur l'accélération du sol lors des séismes, l'IPSN calcule ce mouvement à l'aide de formules empiriques établies à partir d'une banque de données accélérométriques essentiellement obtenues en Californie et Italie.
     Le critère de sûreté est que, en cas de SMS, le maintien des fonctions de sûreté de l'installation soit garanti. Cette règle a été actualisée en 1998, suite aux travaux d'un groupe de travail piloté par l'IPSN et comprenant les experts des exploitants nucléaires, de la Direction de la sûreté des Installations nucléaires (DSIN), du Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) et du ministère de l'Environnement. Les modifications ont permis d'intégrer les progrès scientifiques effectués depuis 1981 avec, par exemple, la prise en compte des paléoséismes et des “effets de site”. Une année probatoire permet actuellement de tester et valider les propositions de modifications.

CARACTÉRISATION DES SÉISMES

     En 1996, deux tremblements de terre de magnitude supérieure à 5 ont eu lieu en France, l'un à Saint-Paul-de-Fenouillet (Pyrénées-Orientales), l'autre a Annecy (Haute-Savoie). Ils témoignent de la sismicité régulière de la France, où depuis 1970, une trentaine de séismes de magnitude comprise entre 4 et 5 ont été recensés.
     Comme pour tous les pays du bassin méditerranéen, cette activité résulte de la convergence des plaques africaine et eurasienne à une vitesse d'environ 1 à 2 centimètres par an. Mais contrairement à la Grèce ou l'Italie, la France est un pays à sismicité modérée. Cette caractéristique ne facilite pas le travail des chercheurs: quand les temps de retour des gros séismes sont longs, même lorsque les failles sont assez bien connues, le risque qu'elles présentent est difficile à apprécier. 
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     L'amélioration des connaissances de la sismicité française implique d'abord de localiser les zones actives puis, à l'intérieur de celles-ci, d'identifier les structures responsables (les failles) de cette activité. Enfin il faut quantifier l'activité sur chaque faille

1/ Première étape: localisation des zones actives
     a) La méthode historique
     Jusqu'à une période récente, l'histoire sismique (sismicité historique ou enregistrés) était le principal outil utilisé pour déterminer l'ampleur possible d'un prochain séisme significatif en un lieu donné. Cette démarche est relativement efficace pour des régions comme la Californie, où le taux de déformation est levé, ainsi que la fréquence des séismes. Dans un pays comme la France, les seules données historiques sont insuffisantes car il existe des séismes importants dont les périodes de retour dépassent les échelles de temps couvertes par les archives (de l'ordre de 500 à 1000 ans en France). Pour retrouver les traces de ces séismes “ante-historiques”, les chercheurs font appel aux techniques de l'archéosismicité et surtout de la paléosismicité.
     b) L'analyse géologique
     L'IPSN a établi entre 1988 et 1993 un “zonage sismotectonique de la France”. Sur la base de données géologiques et géophysiques, ce travail a consisté à découper le territoire en régions présentant des caractères homogènes de type de déformation. Ce zonage, publié en 1993, donne un niveau moyen d'activité sismique par zone: à l'intérieur de chaque zone, la fréquence d'apparition d'un séisme de niveau donné est identique en tout point.

     2/ Deuxième étape : identification des failles actives
     Il existe deux types de failles: celles qui affectent la surface terrestre et celles situées en profondeur. Ces dernières sont cachées par une forte couverture sédimentaire, et rien ne permet de soupçonner leur activité jusqu'à l'arrivée d'un séisme. D'où la nécessité de les identifier et de connaître leur tracé avant un tel événement.
     a) Failles visibles en surface
     Pour localiser ces failles, l'IPSN utilise plusieurs techniques : la photographie aérienne, la photographie par satellite ainsi que l'étude des modèles numériques de terrain (MNT). Les MNT sont des représentations en trois dimensions de la surface de la Terre dont certaines anomalies peuvent traduire la présence d'une faille active. Les résultats obtenus par ces différentes approches sont systématiquement confrontés aux observations effectuées directement sur le terrain.
     Cette méthode a été appliquée en 1998 en Alsace. Un effort important a été effectué pour établir une cartographie des failles actives dans cette région. Ce travail fait partie d'un projet européen regroupant les géologues de l'IPSN et des équipes allemandes, belges, italiennes et espagnoles. L'examen des photos satellites, du modèle numérique de terrain et un travail de terrain ont permis d'établir les failles cibles présentant des indices d'activité récents.
     b) Failles cachées
     L'étude des failles cachées est plus délicate. En effet, ces failles ne sont pas décelables lors d'observations sur le terrain, car la rupture provoquée par les séismes n'atteint pas toujours la surface terrestre. Ce fut le cas par exemple à Northridge (Californie) en 1994. Pour la France, l'IPSN développe une méthode d'étude des failles cachées sur le site pilote de la région de la moyenne Durance, autour de Manosque.

     3/ Troisième étape : quantification de l'activité des failles
     Une fois les failles localisées, il est essentiel de quantifier leur activité. Autrement dit, d'examiner comment et à quel moment des mouvements se produisent.
     a) Vitesses de glissement
La première phase des recherches menées par l'IPSN pour quantifier l'activité des failles consiste à calculer les vitesses de glissement de part et d'autre de celles-ci.

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     L'analyse géomorphostructurale basée sur l'étude des anomalies géomorphologiques (décalage de rivières, de cône de déjection, etc…), permet de déterminer la “vitesse de glissement moyenne” à partir de calculs effectués sur de très longues périodes de temps.
     La “vitesse de glissement actuelle”, à l'inverse de la précédente, est calculée sur une échelle de temps plus courte (un siècle par exemple). Ce calcul s'appuie sur les données fournies par la géodésie (science de la forme et de la dimension de la Terre) classique (reprise de profils topographiques) ou spatiale (Global Positionning System: GPS).
     b) Détermination des séismes à prendre en compte
     Lorsque les caractéristiques des failles sont bien connues, l'objectif est de définir pour chacune d'elles, en fonction de leur taille et de leur géométrie, un séisme maximum possible. La détermination de ce dernier s'avère le plus souvent délicate. Elle se fait, soit sur la base de la sismicité historique dans le cas où celle-ci indique un séisme pour la faille étudiée, soit à partir d'études de paléosismicité. L'analyse précise et la datation des décalages entre les différentes couches géologiques de part et d'autre de la faille, permet, de plus, dans certains cas, de retrouver le nombre d'événements sismiques survenus dans le passé.

ÉVALUATION DU MOUVEMENT DU SOL

     Le calcul sismique constitue le second volet des recherches de l'IPSN sur l'aléa sismique. Il s'agit d'évaluer les mouvements ou vibrations du sol qui sont associés aux séismes de référence. Pour cela, il faut étudier les mécanismes physiques entrant en jeu lors de la propagation des ondes sismiques entre la source en profondeur et la surface terrestre. L'analyse et l'estimation de ces phénomènes font appel à l'expérimentation sur le terrain et aux méthodes de simulation.

     1/ Calcul du mouvement sismique en surface
     L'étude du mouvement sismique en surface prend compte trois paramètres qu'il importe de bien distinguer : la source du séisme, la propagation des ondes sismiques et la nature géologique du site.
     a) Études de “source”
     Elles consistent à analyser la source des grands séismes, à savoir la localisation de la faille, sa dimension, sa géométrie, l'énergie dégagé, afin de reconstituer ce qui s'est produit. Pour cela, l'IPSN réalise des modèles dits “de source” et compare les résultats obtenus avec les enregistrements effectués sur le terrain.
     b) Études de propagation
     Le Bureau d'évaluation des risques sismiques de l'IPSN dispose d'une sismothèque, une banque de données qu'il a créée en 1978 et qui compte 5 à 6.000 enregistrements accélérométriques de tous les plus grands tremblements de terre survenus dans le monde depuis 1935 (Long Beach en Californie). Elle contient les caractéristiques (intensité, magnitude) des séismes et les conditions géologiques du site d'enregistrement. Cet outil permet d'obtenir par des calculs statistiques un mouvement sismique de référence pour une magnitude et une distance données.
     c) Études des “effets de site”
     Elles ont pour base l'analyse des enregistrements effectués lors de grands tremblements de terre. Les grands séismes de ces quinze dernières années (Mexico en 1985, Loma-Prieta en 1989, Northridge en 1994, Kobe en 1995…) ont montré l'influence des formations géologiques récentes, à savoir, les vallées et bassins alluviaux, sur le mouvement sismique.
     En effet, une grosse part des dégâts est due à la présence en surface de couches géologiques “molles”, c'est-à-dire de faible résistance mécanique. Contrairement à ce qu'on observe pour un site situé sur de la roche, ces couches provoquent une forte amplification et un allongement de la durée du mouvement sismique. C'est ce que l'on appelle les effets de site. Pour étudier ces phénomènes “d'effets de site” l'IPSN conduit les deux expérimentations suivantes:

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   · L'expérimentation de Garner Valley (Californie du Sud)
     Ce projet est conduit depuis la fin des années 80 avec l'autorité de sûreté nucléaire américaine NRC (Nuclear Regulatory Commission) et l'Université de Californie. Situé à proximité des failles de San-Jacinto et de San-Andreas, le site se caractérise par une sismicité régulière et la présence d'une couche alluvionnaire d'une vingtaine de mètres d'épaisseur surmontant une formation granitique. Près de 1.000 séismes ont été enregistrés à différentes profondeurs au cours des cinq dernières années. L'étude de ces enregistrements a permis la mise au point de codes de calcul génériques permettant de prévoir l'amplification du mouvement du sol en présence de couches géologiques “molles”.
   · L'expérimentation de Grenoble
     Les mesures sismiques de petits séismes recueillies ces dernières années ont démontré l'importance des “effets de site” dans le bassin de Grenoble. Ceux-ci se manifestent par une forte amplification (facteur 10 à 15) sur une gamme de fréquence de 0.3 à 5.0 Hertz. Pour interpréter ces observations, et in fine essayer de prévoir les mouvements du sol possible en cas de séisme important, l'IPSN a développé un modèle numérique de simulation, basé sur les données enregistrées lors du séisme de Lancey (2,5).
     La modélisation montre comment, à partir de l'épicentre d'un séisme, les ondes se propagent sous Grenoble, avec une augmentation brutale de leur amplitude lorsqu'elles entrent dans le bassin (amplification d'un facteur 5), puis un véritable “piégeage” dans la cuvette où elles se répercutent. Alors qu'à l'extérieur du bassin le mouvement du sol ne dépasse pas quelques secondes, la durée du mouvement du sol dans le bassin peut atteindre plus de 30 secondes. La modélisation montre aussi que les zones où l'amplitude et la durée du mouvement du sol sont les plus importantes, sont localisées dans la vallée du Grésivaudan (la partie de la cuvette la plus proche du séisme) et le centre historique de la ville (là où le bassin est le plus profond).
     Le forage réalisé à Montbonnot en novembre 1999 apportera les informations encore manquantes sur la nature géologique du bassin grenoblois et permettra de valider ce modèle numérique, destiné à prévoir les “effets de site” pour l'ensemble des vallées alpines du même type que celle de Grenoble.

     2/ Étude du mouvement sismique en profondeur
     L'étude des séismes dans l'objectif d'évaluer la sûreté à long terme d'un site de stockage profond comporte trois étapes:
   · L'évaluation du (des) séisme (s) à prendre en compte, en terme de localisation, de magnitude et de récurrence. Les techniques utilisées sont les mêmes que celles utilisées pour l'identification des failles actives et s'appuient principalement sur les études de paléosismicité.
   · L'étude des caractéristiques du mouvement sismique en profondeur afin de définir un mouvement sismique de référence. Celui-ci est indispensable pour calculer le dimensionnement des installations. 

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     L'IPSN a mené en collaboration avec la société Shimizu (Japon) des études sur les données sismiques collectées en profondeur (entre 100 et 900 mètres) dans plusieurs sites japonais. Ces études mettent en évidence que le mouvement sismique s'atténue avec la profondeur, mais que cette décroissance dépend des conditions géologiques, c'est-à-dire des propriétés mécaniques du terrain. Une expérimentation complémentaire est en cours sur le site de l'IPSN à Garner Valley.
   · L'évaluation de l'impact d'un séisme sur un site en profondeur. La question la plus importante ici est de savoir si un séisme est susceptible de modifier de façon permanente et significative la circulation hydraulique au sein d'un massif rocheux. Les expérimentations sont menées à Garner Valley: des capteurs ont été placés au niveau des fractures, afin de mesurer les éventuelles modifications de la pression d'eau qui pourraient se produire lors d'un séisme.

LEXIQUE

Accéléromètre: sismographe adapté à l'enregistrement des fortes secousses.
Archéosismicité: étude des traces de séismes passé dans les bâtis anciens et les vestiges archéologiques
BERSSIN: Bureau d'évaluation du risque sismique pour la sûreté des installations nucléaires.
BRGM: Bureau de Recherches Géologiques et Minières.
Épicentre: point de la surface terrestre où l'intensité d'un séisme est maximale.
Foyer: endroit de la croûte terrestre où l'intensité d'un séisme est maximale.
Intensité: classification des tremblements de terre, à partir de leurs effets en un endroit donné, basée sur l'analyse des réactions humaine, des dégâts aux bâtiments et des actions sur l'environnement naturel.
Magnitude: mesure de la taille d'un séisme à partir de l'enregistrement des amplitudes maximales des ondes sismiques.
NRC: Nuclear Regulatory Commission (États-Unis).
Paléosismicité: étude des séismes passés grâce aux traces qu'ils ont laissées dans les formations géologiques majeurs (quaternaires).
Sismicité: étude de la localisation et de la fréquence des séisme.;
Sismicité instrumentale: étude des caractéristiques des séismes à partir des données enregistrées par les capteurs des réseaux de surveillance ou de recherche.
Sismicité historique: étude des séismes par l'analyse de sources documentaires relatant les effets qu'ils engendrent sur la population, les constructions et l'environnement. Elle peut couvrir une période de mille ans dans certaines régions.
Sismogramme: enregistrement des secousses sismiques effectué par un sismographe.
Sismographe: appareil de mesure et d'enregistrement des secousses sismiques.

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