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www.planseisme.fr Projet ONAMAZU : Evaluation quantitative de la réponse nonlinéaire des sols lors du grand séisme Tohoku CONTEXTE DE REALISATION Dans l’après-midi du 11 mars 2011, un méga-séisme de subduction (Mw 9.0) a eu lieu au large des côtes de la région de Tohoku (Japon). Grâce à plusieurs réseaux sismiques japonais, des données d’excellente qualité ont été enregistrées ; en particulier des données susceptibles de contenir de l’information sur le comportement non-linéaire entre les contraintes et les déformations au sein des sédiments de proche surface (i.e., quelques centaines de mètres de profondeur). La compréhension de ce phénomène non-linéaire est primordiale pour mieux quantifier le niveau d’aléa sismique dans les régions à sismicité forte ou modérée car la relation entre les contraintes et les déformations a un impact direct sur les niveaux d’accélérations enregistrés en surface. En partenariat avec nos collègues japonais, nous avons utilisé l’ensemble des données à disposition (pré-chocs, choc principal, répliques et mesures de bruit de fond) enregistrées sur plusieurs sites pour répondre à certaines questions fondamentales en sismologie des mouvements forts: Vers quelles profondeurs apparaît la réponse nonlinéaire des sédiments ? Quels niveaux de déformations sont mis en jeu ? Y-a-t-il un recouvrement des propriétés mécaniques élastiques suite à des effets nonlinéaires. OBJECTIFS La détermination des propriétés mécaniques des sédiments (ou de leurs niveaux de déformations) en profondeur nécessite la résolution d’un problème inverse ; en d’autres termes, au lieu de calculer les formes d’ondes (ex : l’accélération du sol) à partir des propriétés mécaniques des sédiments, nous tentons de remonter à ces propriétés mécaniques à partir des accélérations. Ce type de problème étant généralement sous-contraint (i.e., nombre d’inconnues supérieur au nombre d’équations), nous nous assurons dans un premier temps de la robustesse de notre technique d’inversion – couplant un algorithme génétique et la méthode des matrices de propagation de ThomsonHaskell – sur un jeu de données synthétiques. Par la suite, nous décodons à l’aide de cette technique les informations incluses dans les accélérations observées en surface pour remonter à la vitesse des ondes de cisaillement et aux facteurs d’amortissements des couches de sédiments. Pour étudier le recouvrement des propriétés mécaniques des sols au cours du temps, nous avons développé une technique d’analyse tempsfréquence pour suivre l’évolution temporelle de la fréquence prédominante d’un site. Pour cela, nous utilisons un ratio de transformées de Stockwell qui génère des informations à haute résolution, aussi bien en temps qu’en fréquence. PROGRAMME DES TRAVAUX Le projet ONAMAZU est un projet de recherche fondamentale coordonné par le BRGM en France et par le « Disaster Prevention Research Institute (DPRI, Kyoto University) » au Japon. Les partenaires sont l’IFSTTAR (France), SHIMIZU Corporation (Japon) et NIED (Japon). Le projet a débuté en octobre 2011 pour une période de 18 mois. L’aide ANR (Agence National de la Recherche) s’élève à 60 k€ et l’aide JST (Japanese Science and Technology Agency) s’élève à 28 k€ ; soit 88 k€ au total. RESULTATS OBTENUS Ce projet a permis d’améliorer la connaissance des propriétés mécaniques de plusieurs sites KNET et KiKnet. Afin de mener à bien les inversions décrites ciavant, un milliard d’accélérogrammes générés synthétiquement ont été comparés aux accélérogrammes observés afin de remonter aux propriétés des sites. Certains sites nous ont clairement permis de quantifier les niveaux de non-linéarité mis en jeu dans les couches sédimentaires ; d’autres, plus complexes du fait de leur géométrie à deux ou trois dimensions, suggèrent que des inversions basées sur une théorie à une dimension peuvent être fortement biaisées. PARTENAIRES TECHNIQUES 1. BRGM, France 2. IFSTTAR, France 3. DPRI, Japon 4. SHIMIZU, Japon 5. NIED, Japon www.planseisme.fr PARTENAIRES FINANCIERS 1. Agence National de la Recherche (ANR, (68%) 2. Japan Science and Technology Agency (JST, (32%) REFERENCES De Martin, F., Kawase, H., Bonilla, F., and Matsushima, S. (2012). Inversion of equivalent linear soil parameters during the 2011 Tohoku earthquake, Japan. In 15th World Conference on Earthquake Engineering, Lisbon, Portugal. De Martin, F., Kawase, H., and Bonilla, F. (2012). Inversion of equivalent linear soil parameters during the 2011 Tohoku earthquake, Japan. In One Year after 2011 Great East Japan Earthquake, International Symposium on Engineering Lessons Learned from the Giant Earthquake, Tokyo, Japan. De Martin, F., Matsushima, S., and Kawase, H. (2013). Impact of geometric effects on near-surface Green’s functions. Bulletin of the Seismological Society of America. Vol. 103, no. 6, pp. 3289-3304, doi: 10.1785/0120130039 Ducellier, A., Kawase, H., and Matsushima, S. (2013). Validation of a new velocity structure inversion method based on horizontal-to-vertical (H/V) spectral ratios of earthquake motions in the Tohoku area, Japan. Bulletin of the Seismological Society of America Vol.103, No.2A, pp.958–970, doi: 10.1785/0120120214. Nagashima, F., Kawase, H., and Matsushima, S. (2012). Inversion of basement incident waves and strongmotion simulation based on observed waves during The 2011 Off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake, DPRI Annual Meeting. Hayakawa, T., Satoh, T., Oshima, M., Kawase, H., Matsushima, S., Nagashima, F., and De Martin, F. (2012). Inversion of Velocity Structure at K-NET Tsukidate Site Based on the Array Microtremors and Observed Ground Motions and Its Nonlinearity, DPRI Annual Meeting. ILLUSTRATIONS Comparaison entre des données observées (i.e., accélération du sol lors d’un séisme, courbe noire) et des données inversées (courbes rouges). Les données inversées sont obtenues en recherchant les meilleures propriétés mécaniques des couches de sédiments permettant de reproduire au mieux les données observées.