Systèmes d`alerte sismique: principes et faisabilité

Transcription

Systèmes d’alerte sismique:
principes et faisabilité aux
Antilles françaises
Rapport final
BRGM/RP-56663-FR
Février 2009
Systèmes d’alerte sismique :
principes et faisabilité aux
Antilles françaises
Rapport final
BRGM/RP-56663-FR
Février 2009
Étude réalisée dans le cadre des projets
de Service public du BRGM 2007
S. Auclair, D. Bertil
Vérificateur :
Approbateur :
Nom : Pascal DOMINIQUE
Nom : Hormoz MODARESSI
Date : 22/12/2008
Date : 08/01/2009
Original signé par Pascal
DOMINIQUE
Original signé par Hormoz
MODARESSI
En l’absence de signature, notamment pour les rapports diffusés en version numérique,
l’original signé est disponible aux Archives du BRGM.
Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000.
M 003 - AVRIL 05
Mots clés : Système alerte sismique précoce, Aléa sismique, Antilles.
En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :
Auclair S., Bertil D. (2009) - Systèmes d’alerte sismique : principes et faisabilité aux Antilles
françaises. Rapport final. BRGM/RP-56663-FR, 87 p., 37 fig., 3 tabl., 1 ann.
© BRGM, 2009, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.
Systèmes d’alerte sismique
Synthèse
D
ans le cadre du Plan Séisme, le MEEDDAT a souhaité engager une réflexion sur
la faisabilité d’un système d’alerte sismique précoce aux Antilles, en tant qu’outil
de réduction de l’impact des séismes sur les Départements d’Outre-mer. Le MEEDDAT
a donc demandé au BRGM de conduire une étude préliminaire afin de lui fournir les
éléments nécessaires pour juger de l’opportunité de doter les Antilles d’un tel système.
Les systèmes d’alerte sismique précoce permettent de fournir une alerte dès les
premières secondes suivant l’occurrence d’un séisme, de manière à pouvoir mettre en
œuvre des procédures permettant de minimiser les dommages.
Ainsi, faute de prédiction possible des séismes à ce jour, le principe d’alerte précoce
sismique offre une alternative intéressante, permettant de limiter l’exposition des
enjeux à l’aléa sismique. Au niveau du public, et moyennant une information et des
formations adaptées, l’alerte précoce peut être un outil utile permettant d’adopter des
mesures protectrices en mesure de réduire significativement les pertes humaines. Au
niveau organisationnel, des mesures automatiques de mise en sécurité peuvent
également être instaurées, permettant de limiter les dégâts lors de l’arrivée des
mouvements forts, ainsi que les suraccidents.
La première étape de cette étude a été de réaliser un état de l’art des différents
systèmes d’alerte précoce sismique existants, et de détailler leur fonctionnement. Il
ressort de cette analyse bibliographique, la distinction entre les systèmes
« régionaux » conçus pour protéger des zones très étendues allant de l’échelle d’une
agglomération à celle d’un pays, des systèmes « spécifiques » dont l’objectif et
d’assurer la mise en sécurité d’installations à forts enjeux (non-adaptés pour la
protection des Antilles). D’autre part, elle souligne que les exemples de systèmes
d’alerte sismique précoce opérationnels sont relativement peu nombreux car très
difficiles à mettre en œuvre. Cependant, la recherche active menée depuis des années
sur ce champ de la sismologie, combinée aux avancées technologiques notamment
dans les domaines de la télémétrie et de la puissance de calcul informatique, facilitent
leur mise en œuvre. En tout état de cause, l’efficacité de tels systèmes reste
extrêmement liée au contexte sismotectonique local.
L’étude s’est ensuite focalisée sur l’applicabilité d’un système d’alerte « régional » aux
Antilles. Sur la base d’une synthèse des moyens de surveillance sismique existants
aux Antilles et d’un rappel de l’aléa sismique régional, des simulations de délais
d’alerte ont été effectuées pour différents séismes de scénario représentatifs du
contexte sismotectonique de l’arc des Petites-Antilles. La confrontation de ces délais
avec les dégâts attendus souligne qu’un tel système d’alerte est inopérant dans les
zones les plus touchées dans le cas d’événements superficiels tel que le séisme
destructeur des Saintes du 21 novembre 2004. Au contraire, il semble envisageable de
fournir des alertes précoces une dizaine de secondes avant l’arrivée des mouvements
BRGM/RP-56663-FR – Rapport final
3
forts dans le cas de séismes liés à la subduction profonde, semblables au séisme
martiniquais du 29 novembre 2007.
Cependant, les réseaux de surveillance antillais existants ne permettent pas à ce jour
d’être utilisés à des fins d’alerte précoce. Outre l’implémentation du réseau de
surveillance sismique existant et son passage en temps-réel, la mise en place d’un
système d’alerte sismique précoce impliquerait également que soit créé un centre de
contrôle capable de centraliser et d’analyser en temps réel les données acquises par
les différents réseaux en présence. Enfin, il convient de s’interroger sur les mesures
automatiques envisageables en cas d’alerte au vue des enjeux en présence, et de les
confronter aux coûts financiers et humains nécessaires à la mise en place d’un
système d’alerte sismique aux Antilles.
4
Sommaire
1. Contexte et objectifs ............................................................................................ 11
2. Alerte sismique précoce...................................................................................... 13
2.1. DEFINITIONS ET PRINCIPES DE L’ALERTE SISMIQUE .............................. 13
2.1.1. Système d’alerte précoce « régional ».................................................... 14
2.1.2. Système d’alerte précoce « spécifique » ................................................ 16
2.1.3. Système d’alerte précoce « hybride »..................................................... 19
2.2. ACTIONS POSSIBLES EN CAS D’ALERTE ................................................... 19
2.2.1. Actions automatiques ............................................................................. 19
2.2.2. Actions semi-automatiques .................................................................... 20
2.3. EXEMPLES DANS LE MONDE....................................................................... 21
2.3.1. Projet SAFER : vers des EWS européens.............................................. 21
2.3.2. Systèmes appliqués à une région........................................................... 22
2.3.3. Systèmes appliqués à une agglomération urbaine ................................. 27
2.3.4. Systèmes spécifiques ou appliqués à un site ......................................... 32
2.4. BILAN DE FONCTIONNEMENT ..................................................................... 34
2.4.1. Délai d’alerte .......................................................................................... 34
2.4.2. Détection et fausses alertes ................................................................... 35
2.4.3. Utilisation ............................................................................................... 36
2.4.4. Magnitude et distance ............................................................................ 37
2.5. INFRASTRUCTURES NECESSAIRES ........................................................... 37
2.5.1. Stations sismiques ................................................................................. 38
2.5.2. Stations sismiques temps réels « off shore ».......................................... 38
2.5.3. Système de communication ................................................................... 43
2.5.4. Centre de contrôle.................................................................................. 44
3. Faisabilité aux Antilles françaises ...................................................................... 47
3.1. ALEA SISMIQUE AUX ANTILLES................................................................... 47
3.1.1. Contexte sismotectonique ...................................................................... 47
3.1.2. Sismicité régionale ................................................................................. 49
3.2. SURVEILLANCE SISMIQUE........................................................................... 53
3.2.1. Réseaux de surveillance en place .......................................................... 53
5
3.2.2. CDSA ..................................................................................................... 56
3.2.3. Restructuration des réseaux de surveillance sismique aux Petites Antilles
pour l’alerte Tsunami .............................................................................. 57
3.2.4. Modernisation des réseaux de l’IPGP..................................................... 58
3.2.5. Centre de contrôle.................................................................................. 60
3.3. SIMULATIONS DE DELAIS D’ALERTE........................................................... 61
3.3.1. Hypothèses ............................................................................................ 61
3.3.2. Résultats ................................................................................................ 63
3.3.3. Quels délais pour quels dommages ?..................................................... 68
3.4. VALORISATION D’UN SYSTEME D’ALERTE ANTILLAIS .............................. 73
3.5. QUELQUES ESTIMATIONS DE COUTS D’EQUIPEMENT............................. 74
4. Conclusions.......................................................................................................... 77
4.1. BILAN SUR LES SYSTEMES D’ALERTE PRECOCES (EWS) ....................... 77
4.2. BILAN ANTILLES ............................................................................................ 78
5. Bibliographie ........................................................................................................ 81
Liste des figures
Figure 1 : Contexte et principes des Systèmes d’Alerte Précoce (modifié d’après M.
Böse, 2006). ................................................................................................................................ 14
Figure 2 : Principe de l’alerte précoce sismique basé sur l’analyse des ondes S (cas
d’une unique station située à l’épicentre). ................................................................................... 15
Figure 3 : Schéma simplifié du principe d’un EWS ponctuel (d’après Kanamori, 2005)............. 18
Figure 4 : Carte globale d’aléa sismique figurant les régions dotées de systèmes
d’alerte sismique précoce (bleu), et celles en ayant en développement (vert). (source
ElarmS : www.elarms.org). .......................................................................................................... 21
Figure 5 : Sites test d’application du système d’alerte sismique précoce du projet
SAFER (www.saferproject.net).................................................................................................... 22
Figure 6 : Délais d’alerte attendus pour Taïwan pour un séisme identique à celui de
Chi-Chi (20/09/1999, Mw=7.6) - (Wu et Teng, 2002). ................................................................. 24
Figure 7 : Cartes d’alerte ElarmS établies 3s (a), 4s (b), 6s (c) et 9s (d) après un
séisme (d’après Wurman et al., 2007)......................................................................................... 25
Figure 8 : Système d’alerte sismique précoce ISNet (Weber et al., 2007a). .............................. 27
Figure 9 : Système d’alerte sismique précoce de Mexico (Erdik, 2006). .................................... 28
6
Figure 10 : Système d’alerte sismique précoce d’Istanbul (Erdik et al., 2003)............................31
Figure 11 : Principe du système d’alerte de Bucarest (Ionescu et al., 2007). ............................32
Figure 12 : Utilisation du système UrEDAS pour les lignes de train à grande vitesse
Japonaise (West Japan Railway Company, 2001). .....................................................................33
Figure 13 : Système d’alerte précoce sismique de la centrale nucléaire d’Ignalina
(Wieland et al., 2000). ..................................................................................................................34
Figure 14 : Représentation schématique du lien entre la précision et le délai d’alerte
d’un système d’alerte. ..................................................................................................................35
Figure 15 : Impact des fausses alertes par types d’actions prises par un système
d’alerte sismique précoce (d’après Iervolino et al., 2007). ..........................................................36
Figure 16 : Observatoires sous marins cablés autour du Japon (Source :
http://homepage.mac.com/ieee_oes_japan/ARENA/ARENA-E.html). ........................................39
Figure 17 : Schéma de fonctionnement d'une bouée DART. (Source :
http://www.wikeo.be/files/2356/tsunami-dart-system2.jpg)..........................................................41
Figure 18 : Station RTOSS (Illustration par E. Paul Oberlander, Woods Hole
Oceanographic Institution). ..........................................................................................................42
Figure 19 :Schéma de la future station sous marine permanente SEAHELLARC. .....................43
Figure 20 : Contexte tectonique sismicité régionale (fond de carte N. Feuillet, 2000). ...............47
Figure 21: Coupe de la subduction au niveau de la Guadeloupe (figure du haut) et de
la Martinique (figure du bas) - (Martin et al., 2002)......................................................................48
Figure 22 : Principaux séismes fortement ressentis en Martinique et en Guadeloupe
(intensité MSK ≥ VI). L’intensité maximale observée pour chaque séisme est indiquée
entre parenthèses (données SisFrance 2007, à l’exception du séisme du 29/11/2007
pour lequel l’intensité renseignée provient du BCSF : intensité EMS98). ...................................49
Figure 23 : Estimation des périodes de retour des séismes dommageables pour les
Antilles françaises (estimation réalisée sur la période 1800-2007à l’aide des données
SisFrance). ...................................................................................................................................50
Figure 24 : Accélération horizontale du sol selon l’étude probabiliste de GEOTER
(Martin et al., 2002), pour période spectrale nulle et une période de retour de 475 ans
(valeurs d’accélération médianes). ..............................................................................................52
Figure 25 : Tableau de correspondance entre l’intensité macrosismique et le PGA de
l’OVSG/IPGP, inspiré des ShakeMaps de l’USGS (Beauducel et al., 2004)...............................52
Figure 26 : Localisation des stations sismologiques en fonctionnement dans les petites
Antilles..........................................................................................................................................53
Figure 27 : réseaux large bande aux Petites Antilles (source : OVSG/IPGP). ............................58
Figure 28 : projet IPGP de mise en place de stations de surveillance large-bande
temps-réel en Guadeloupe...........................................................................................................60
Figure 29 : Différentes composantes du temps d’alerte. .............................................................62
Figure 30 : Comparaison des délais d’alerte théoriques issus du système « idéal »
(courbes bleues) et du réseau de surveillance existant (courbes noires ) pour le séisme
de scénario A (domaine intraplaque - séisme des Saintes du 21 novembre 2004). La
zone d’ombre est représentée en « grisé », et les quatre stations existantes
7
(sismomètres : losanges, accéléromètres : triangles) ayant servi à déclencher l’alerte
apparaissent en vert. ................................................................................................................... 64
de scénario B (subduction interface). La zone d’ombre est représentée en « grisé », et
les quatre stations existantes (sismomètres : losanges, accéléromètres : triangles)
ayant servi à déclencher l’alerte apparaissent en vert. ............................................................... 65
de scénario C (subduction profonde - séisme du 29 novembre 2007). Les quatre
stations existantes (sismomètres : losanges, accéléromètres : triangles) ayant servi à
déclencher l’alerte apparaissent en vert. Le temps d’alerte épicentral est indiqué en noir
à côté de l’épicentre pour chacun des deux types de simulation (système idéal : valeur
de gauche, et réseau existant : valeur de droite). ....................................................................... 66
de scénario D (subduction profonde - « subduction Guadeloupe »). Les quatre stations
existantes (sismomètres : losanges, accéléromètres : triangles) ayant servi à
déclencher l’alerte apparaissent en vert. Le temps d’alerte épicentral est indiqué en noir
à côté de l’épicentre pour chacun des deux types de simulation (système idéal : valeur
de gauche, et réseau existant : valeur de droite). ....................................................................... 67
Figure 34 : Superposition de la carte macrosismique (BCSF, 2005) et des délais
d’alerte simulés pour le séisme des Saintes du 21 novembre 2004 (séisme de scénario
A). ................................................................................................................................................ 69
Figure 35 : Superposition de la carte macrosismique (BCSF, 2007) et des délais
d’alerte simulés pour le séisme du 29 novembre 2007 (séisme de scénario C)......................... 70
Figure 36 : En haut : comparaison entre l’estimation des intensités macrosismiques et
les délais d’alerte simulés pour le séisme de scénario B « subduction interface ».
Simulations (Youngs et al., 1997) au rocher (1) et sur sol mou (2). En bas :
représentation schématique en fonction de la distance épicentrale. .......................................... 71
Figure 37 : En haut : comparaison entre l’estimation des intensités macrosismiques et
les délais d’alerte simulés pour le séisme de scénario D « subduction Guadeloupe ».
Simulations (Youngs et al., 1997) au rocher (1) et sur sol mou (2). En bas :
représentation schématique en fonction de la distance épicentrale. .......................................... 72
Liste des tableaux
Tableau 1 : Performances du système d’alerte précoce de la ville de Mexico (août 1991
à juillet 2004) - (Iglesias et al., 2007). *Données de Harvard CMT ou du Service de
Sismologie Mexicain (SSN). ........................................................................................................ 29
Tableau 2 : Performances du sytème d’alerte sismique précoce de Mexico lors du
séisme du 14 septembre 1995 (M=7.3) – (Lee and Espinosa-Aranda, 2003). ........................... 29
Tableau 3 : Coûts détaillés d’une station de surveillance Tsunami aux Antilles (données
IPGP). .......................................................................................................................................... 74
8
Liste des annexes
Annexe 1 Glossaire.....................................................................................................................87
9
1. Contexte et objectifs
Les Antilles françaises présentent une population importante et un bâti relativement
vulnérable aux séismes. La réduction du risque sismique dans ces îles passe donc en
premier lieu par des mesures de reconstruction et de mise aux normes des bâtiments.
Compte-tenu du coût économique et du temps de mise en œuvre qu’elles nécessitent,
ces mesures ne sont cependant pas suffisantes. Il est donc nécessaire d’envisager
d’autres approches permettant de réduire l’impact des séismes dans cette région qui
présente le plus fort aléa sismique du territoire français.
Les systèmes d’alerte sismiques précoces permettent de fournir une alerte dès les
premières secondes suivant l’occurrence d’un séisme, de manière à pouvoir mettre en
œuvre des procédures permettant de minimiser les dommages.
Ainsi, faute de prédiction possible des séismes à ce jour, le principe d’alerte précoce
sismique offre une alternative intéressante, permettant de limiter l’exposition des
Dans le cadre du Plan Séisme, le MEEDDAT a souhaité engager une réflexion sur la
faisabilité d’un système d’alerte sismique précoce aux Antilles, en tant qu’outil de
réduction de l’impact des séismes sur les Départements d’Outre-mer. Le MEEDDAT a
donc demandé au BRGM de conduire une étude préliminaire afin de lui fournir les
éléments nécessaires pour juger de l’opportunité de doter les Antilles d’un tel système.
L’étude consiste dans un premier temps à faire un état de l’art sur les systèmes
d’alerte sismique existants dans le monde. Les systèmes mis en place au Mexique, au
Japon, et dans d’autres pays sont détaillés, notamment sur :
• le fonctionnement du système d’alerte ;
• le matériel nécessaire à son fonctionnement ;
• les actions automatiques prises en cas d’alerte sismique.
Dans une seconde étape la faisabilité d’un tel système d’alerte aux Antilles françaises
est étudiée avec :
• une analyse de l’aléa sismique aux Antilles et ses implications en
termes de systèmes d’alerte ;
• un bilan des stations et réseaux sismiques existants et leur compatibilité
avec un système d’alerte précoce ;
• des simulations de délais d’alerte pour des séismes représentatifs.
11
2. Alerte sismique précoce
2.1. DEFINITIONS ET PRINCIPES DE L’ALERTE SISMIQUE
Le principe du système d’alerte précoce sismique consiste, lorsque qu’un séisme vient
juste de survenir, à fournir une alerte dès les premières secondes de manière à
pouvoir mettre en œuvre des procédures permettant de minimiser les dommages.
Si, dans l’état actuel des connaissances, la prédiction des séismes n’est pas possible à
l’échelle de temps des contingences humaines, le principe d’alerte précoce sismique
offre en revanche une alternative intéressante permettant de limiter l’exposition des
Ce système, basé sur l’analyse automatique en temps réel des enregistrements des
mouvements sismiques, s’inscrit donc dans la démarche générale de réduction du
risque sismique, comme étant le seul outil « co-sismique » (Figure 1). Il doit être
distingué du système de réponse rapide (Rapid Response System - RSS) qui fournit
une estimation des manifestations du séisme quelques minutes après les secousses.
La base physique du principe de système d’alerte sismique précoce est simple : les
forts mouvements du sol sont dûs aux ondes de cisaillement (ondes S) et aux ondes
de surface qui les suivent, lesquelles ondes sismiques se propagent moins vite que les
ondes électromagnétiques utilisées pour la transmission de l’alerte. Le délai d’alerte
est alors défini comme le temps qui sépare la diffusion de l’alerte (« temps d’alerte »)
de l’arrivée des ondes S.
Il existe deux principaux types de systèmes d’alerte précoce (EWS : Early Warning
System), que sont les systèmes d’alerte « régionaux » et « spécifiques » (Kanamori,
2005). L’approche « régionale », qui peut dans certains cas utiliser les méthodes
traditionnelles pour localiser le séisme, déterminer sa magnitude et estimer les
mouvements du sol, permet de fournir une alerte pour une zone étendue. Quant à elle,
l’approche « spécifique », réservée aux sites ponctuels (installations à forts enjeux), ne
procède qu’à l’analyse des premières secondes du signal pour prédire les mouvements
du sol à venir, sans nécessairement localiser l’événement ni même estimer sa
magnitude.
13
Figure 1 : Contexte et principes des Systèmes d’Alerte Précoce (modifié d’après M. Böse,
2006).
2.1.1.
Système d’alerte précoce « régional »
Le principe de l’EWS « régional » (ou « front detection » EWS) repose sur une distance
importante entre la zone à protéger (zone d’intérêt) et l’implantation du système
d’alerte. Le délai d’alerte résulte alors de la différence entre les vitesses de
propagation des ondes sismiques et des ondes électromagnétiques utilisées pour
transmettre l’information depuis la zone épicentrale. L’approche « régionale » n’est
donc en mesure de fournir une alerte que pour les zones relativement éloignées de
l’épicentre. En effet, en deçà d’une certaine distance, le temps nécessaire pour émettre
et diffuser l’alerte (« temps d’alerte ») est supérieur au temps mis par les ondes
sismiques pour arriver : on parle alors de « zone d’ombre ». Le principe général des
systèmes d’alerte régionaux basés sur l’analyse classique des ondes S, est présenté
sur la Figure 2.
Le temps d’alerte (temps requis pour procéder à une alerte) de cette méthode se
décompose en trois termes principaux : (1) le temps de propagation des ondes
sismiques jusqu’aux stations, (2) le temps de traitement et d’analyse des données, (3)
le temps de transmission de l’information.
14
Figure 2 : Principe de l’alerte précoce sismique basé sur l’analyse des ondes S (cas d’une
unique station située à l’épicentre).
De manière à fournir une alerte le plus tôt possible, il est donc nécessaire de minimiser
au maximum chacun des trois termes ci-dessus identifiés.
-
Pour ce faire, il est tout d’abord indispensable de pouvoir détecter les séismes
le plus tôt possible. Aussi, un EWS « régional » est composé d’un large réseau
sismologique disposé au plus près des sources sismogéniques dont on veut se
prémunir ;
15
-
-
Il s’agit ensuite de déterminer certains paramètres de la source ou du signal
(magnitude, accélération maximale du sol - PGA, localisation, profondeur…) de
manière à pouvoir évaluer le potentiel destructeur du séisme au niveau de la
zone d’intérêt à l’aide de relations d’atténuation. Pour cela, les EWS
« régionaux » procèdent généralement au même type d’analyses que les EWS
« spécifiques » (voir section 2.1.2). Lorsque le traitement des données utilise
des algorithmes classiques de localisation et de détermination de la magnitude,
un effort est cependant apporté pour réduire au maximum le temps requis pour
le traitement ;
Le temps de transmission de l’information doit être assuré par des liaisons de
communication rapides et fiables (ondes radios, connexions internet
sécurisées…).
A l’inverse de la « zone d’ombre » qui traduit l’inefficacité des EWS régionaux à
courtes distances épicentrales, dans le cas de sites très éloignés des sources
sismiques, l’alerte peut être émise plusieurs dizaines de secondes avant l’arrivée des
ondes sismiques (ex. EWS de la ville de Mexico - Espinosa-Aranda et al., 1995 – cf.
§2.3.3).
Lorsque dans une région, les sources sismiques ne peuvent pas être définies
précisément, comme cela est le cas dans une majeure partie de l’Europe, une
alternative possible consiste à installer un réseau dense de stations sismiques. Cette
alternative, qui peut bénéficier des réseaux sismologiques existants (Wieland, 2001),
permet d’avoir à disposition des stations au plus proche de la zone épicentrale, où
qu’elle soit.
L’inconvénient de cette configuration est que la zone d’ombre couvre alors des
régions potentiellement à enjeux. Dans ce cas particulier, il est toutefois utile de noter
que les dommages liés aux séismes dépassent généralement la zone épicentrale.
Dès-lors, même si les populations de la région épicentrale ne peuvent pas bénéficier
d’une alerte, la présence d’un EWS trouve sa justification en protégeant les zones plus
éloignées.
Architecture type d’un système d’alerte précoce sismique « régional » :
- réseau de surveillance composé de plusieurs stations automatiques ;
- moyen de communication en temps réel entre les stations sismiques et le
centre de traitement ;
- centre de traitement et d’analyse des données ;
- moyen de communication de l’alerte (mesures automatiques de
sauvegarde, information de la population…).
2.1.2.
Système d’alerte précoce « spécifique »
L’EWS « spécifique » est conçu pour assurer la mise en sécurité d’installations à
risque en permettant d’initier l’arrêt automatique de systèmes vulnérables et de
procédés dangereux.
16
La différence majeure avec le système « régional » provient de la disposition des
stations d’enregistrement. En effet, lorsque ce dernier s’efforce à disposer ses stations
sismologiques au plus près des sources potentielles, le système « spécifique » les
répartit de manière à encadrer l’installation à protéger (de part et d’autre d’un réseau
ou autour d’une installation « ponctuelle »), comme pour former « une barrière contre
les ondes sismiques » (Iervolino et al., 2007).
On distingue deux types d’EWS « spécifique » :
-
-
Le premier utilise le même principe que celui de l’approche « régionale », à
savoir une transmission de l’alarme à une vitesse supérieure à celle des ondes
sismiques. Dans ce cas, un réseau de stations est disposé autour de
l’installation, à une distance suffisamment importante (30 à 60 km : Wieland,
2001) pour que tout séisme survenant en dehors de cette zone soit précédé
d’une alerte (ex. centrale nucléaire d’Ignalina - Lituanie).
Le deuxième type d’EWS « spécifique » utilise l’intervalle de temps qui existe
entre l’arrivée, en un même site, des ondes de compression (ondes P) et des
ondes de cisaillement (ondes S) responsables des forts mouvements du sol
(vitesse de propagation des ondes P supérieure à celle des ondes S). Elle
consiste, à partir d’une unique station, à analyser les premières secondes du
signal suivant l’arrivée des ondes P, pour évaluer les mouvements du sol à
venir en ce même point : les ondes P sont considérées comme « porteuses
d’information » et les ondes S comme « porteuses d’énergie » (Kanamori,
2005). Dans ce cas, les stations peuvent être placées relativement proche des
installations (ex. système UrEDAS avec capteurs implantés à quelques dizaines
de mètres des lignes ferroviaires à protéger - Nakamura, 1988 – cf. §2.3.4).
En tout état de cause, la distance qui sépare les stations de la zone d’intérêt est
relativement faible, et le temps alloué au traitement des ondes sismiques doit donc être
inférieur à celui requis par les méthodes classiques. Aussi, les EWS « spécifiques »
utilisent un traitement en temps réel au niveau de chaque station, plus rapide qu’une
confrontation de données acquises par un réseau. La fenêtre de temps nécessaire à
l’analyse est ainsi raccourcie à quelques secondes uniquement après la première
arrivée d’ondes P, et un nombre restreint de paramètres sont déterminés. Sur ce
dernier point, signalons que du fait de la faible distance qui les sépare, les
mouvements du sol enregistrés en une station sont relativement proches de ceux
attendus au site : l’alarme peut alors être déclenchée à partir d’une valeur seuil en
amplitude (PGA, PGV…), sans se soucier de la magnitude du séisme et de
l’atténuation des mouvements du sol.
Une autre alternative souvent utilisée consiste à calculer deux paramètres sur une
fenêtre de temps de quelques secondes après la première arrivée d’ondes P, de
manière à définir un double seuil :
-
un paramètre de période τ (Nakamura, 1988 ; Ellsworth et Beroza, 1995 ; Allen
et Kanamori, 2003 ; Kanamori, 2005 ; Olson et Allen, 2005 ; Lockman et Allen,
2007 ; Wu et al., 2007a ; Wu et Kanamori, 2008) : ce paramètre de période,
issu de l’intégration du spectre pendant quelques secondes, est relié à la
magnitude du séisme ;
17
-
l’accélération maximum du sol pendant les 3 premières secondes après
l’arrivée des ondes P (PK3s) (Kanamori, 2005 ; Wu et Kanamori, 2005 ; Wu et
Zhao, 2006, Wu et al., 2007a).
Figure 3 : Schéma simplifié du principe d’un EWS ponctuel (d’après Kanamori, 2005).
Architecture type d’un système d’alerte précoce sismique « spécifique » :
réseau
de
surveillance
composé
de
plusieurs
stations
automatiques autonomes avec traitement automatique en temps réel ;
- moyen de communication de l’alerte (mesures automatiques de
sauvegarde).
D’un point de vue des performances, l’approche « spécifique » est moins fiable que
l’approche « régionale » (estimation du pouvoir destructeur à partir de quelques
secondes du signal seulement, utilisation de stations uniques...), mais elle permet
d’émettre une alarme beaucoup plus rapidement. Enfin, et surtout, l’approche
« spécifique » est efficace à des distances beaucoup plus proches de l’épicentre (zone
d’ombre presque inexistante avec le système UrEDAS car analyse du signal
extrêmement rapide - Nakamura, 1988 – cf. §2.3.4).
Il est important de noter qu’une des différences significatives entre les approches
« régionales » et « spécifiques » est une différence d’objectif : elle provient de
l’acceptabilité des fausses alertes et des alertes manquées. En effet, les erreurs
relatives aux alertes sont d’autant moins acceptables qu’elles impliquent des mesures
automatiques de prévention à grande échelle. Au contraire, des installations à fort
enjeu tels que les centrales nucléaires sont tellement sensibles, qu’il est préférable de
procéder à des mises en sécurité inutiles plutôt que de risquer le suraccident.
Par conséquent, lorsqu’un EWS « régional » se doit d’être relativement précis quitte à
être moins rapide, un EWS « spécifique » doit pouvoir adresser le plus rapidement
possible une alerte, au risque de déclencher de fausses alertes.
Plutôt que de considérer ces deux types de systèmes d’alerte précoce distinctivement,
il est également possible de les combiner de manière à bénéficier des avantages qu’ils
offrent indépendamment.
18
2.1.3.
Système d’alerte précoce « hybride »
Outre les deux types principaux d’EWS, il existe également un système « hybride »
(Wu et Kanamori, 2005 ; Kanamori, 2005) entre les systèmes « régionaux » et
« ponctuels ».
Cette approche, particulièrement bien adaptée aux régions possédant un réseau très
dense de stations, consiste dans un premier temps à déterminer les caractéristiques
du séisme en une station unique (alerte possible pour les installations à forts enjeux
situées à proximité : alerte « spécifique »), puis, à mesure que le signal est enregistré
sur d’autres stations, ces caractéristiques sont réévaluées (moyenne effectuée sur les
paramètres déterminés en chaque station) et un second niveau d’alerte peut être
déclenché (alerte « régionale »).
2.2. ACTIONS POSSIBLES EN CAS D’ALERTE
Les impacts potentiels de forts aléas naturels sur des sociétés urbaines peuvent être
réduits par des actions rapides et adaptées. L’exemple du tsunami du 26 décembre
2004 dans l’Océan Indien est ainsi particulièrement explicite quand à l’importance de
disposer de mesures adaptées à prendre en cas d’alerte. En effet, bien qu’un système
d’alerte précoce de tsunamis était alors opérationnel et avait pu détecter le séisme,
une chaine de prise de décision et de communication de l’information mal adaptée n’a
pas permis de réduire l’impact du tsunami.
Dans le cas de l’aléa sismique, le temps disponible pour se prémunir d’un séisme une
fois que celui-ci a eu lieu est extrêmement court. Ainsi, les systèmes d’alerte précoce
sismique ne permettent généralement de disposer que de quelques secondes à
quelques dizaines de secondes pour prendre des mesures à même de minimiser les
impacts du séisme. En des temps aussi réduits, la prise de décision doit être
systématiquement automatisée, et les actions les plus efficaces sont également les
actions automatiques de sauvegarde. Cependant, dans certains cas, des mesures
individuelles peuvent également être prises.
2.2.1.
Actions automatiques
La plupart des EWS, qu’ils soient « régionaux » ou « spécifiques », sont capables
d’associer à chaque alerte émise, des actions automatiques rapides et appropriées.
L’avantage de ce type d’actions, est de ne pas dépendre d’une action humaine, trop
coûteuse en temps.
Le choix des actions automatiques à prendre en cas de séisme dépend en premier lieu
de l’adéquation entre le temps nécessaire à la mise en sécurité d’un système
considéré et le délai d’alerte fourni par l’EWS.
A titre informatif, voici une liste d’actions automatiques existantes :
-
arrêt de l’alimentation des trains à grande vitesse de manière à les ralentir afin
qu’ils n’atteignent pas la zone épicentrale où la ligne est potentiellement
19
endommagée (ex. Compagnie de chemins de fer de l’Ouest du Japon) –
Nakamura, 1989 ;
-
arrêt de systèmes critiques (centrales nucléaires – ex. centrale d’Ignalina,
Lituanie, réacteurs chimiques…) – Wieland et al., 2000 ; Wieland, 2001 ;
-
arrêt de la circulation et fermeture de réseaux de transport sensibles (ex.
passages des feux au rouge sur le Lions Gate Bridge à Vancouver, Canada) ;
-
fermeture de réseaux sensibles (oléoducs, gazoducs et réseau de distribution
du gaz - ex. fermeture du réseau de gaz de Tokyo) – http://www.tokyogas.co.jp/techno/stp/97c1_e.html ;
-
arrêt des ascenseurs en position de sécurité ;
-
arrêt des systèmes informatiques sensibles et mise en sécurité des données ;
-
contrôle « semi-actif » des bâtiments : changement des propriétés dynamiques
du bâtiment en quelques secondes.
2.2.2.
Actions semi-automatiques
Lorsque le délai d’alerte atteint plusieurs dizaines de secondes, d’autres mesures
nécessitant l’intervention humaine peuvent également être mises en place. La mise en
application de ces mesures, toujours « décidées » de manière automatique, sont
réalisées de manière effective par les personnes directement concernées. On parle
alors d’actions semi-automatiques.
A titre informatif, voici une liste d’actions semi- automatiques existantes :
-
alerte des aéroports de manière à éviter tout atterrissage ;
-
alerte des centres opérationnels et des centres de secours de manière à
permettre une meilleure organisation des secours grâce à l’anticipation ;
-
alerte des établissements de santé de manière à suspendre l’activité des blocs
opératoires ;
-
alerte de la population de manière à évacuer les lieux les plus exposés et se
mettre en position de sécurité ;
Une application originale a également été menée en 1989, suite à la série de répliques
liée au séisme de Loma Prieta en Californie (Mw=6.9). A cette occasion, un EWS a été
installé de manière à protéger les employés travaillant au niveau d’autoroutes
effondrées dans l’Oakland, à une centaine de kilomètres environ de la zone
épicentrale. Ce système d’alerte précoce était capable de fournir une alerte d’une
vingtaine de secondes permettant aux travailleurs d’évacuer les zones potentiellement
dangereuses (Bakun et al., 1994).
20
2.3. EXEMPLES DANS LE MONDE
Le principe de système d’alerte précoce sismique est aujourd’hui adopté comme étant
un outil efficace pour réduire le risque sismique. Ainsi, des EWS sont aujourd’hui
opérationnels, en cours de construction ou en projet dans de nombreuses régions du
globe : Mexique, Roumanie, Californie, Japon, Taïwan, Turquie, Grèce, Italie, Lituanie
(Figure 4)…
Nous dressons ici une liste des principaux exemples existants.
Figure 4 : Carte globale d’aléa sismique figurant les régions dotées de systèmes d’alerte
sismique précoce (bleu), et celles en ayant en développement (vert). (source ElarmS :
www.elarms.org).
2.3.1.
Projet SAFER : vers des EWS européens
Zschau et al., 2007 (a, b) ; www.saferproject.net
Le projet européen SAFER (Seismic eArly warning For EuRope) a été lancé en 2006
entre 23 partenaires issus de 14 pays différents.
Il a pour but d’exploiter pleinement les possibilités offertes par l’analyse en temps réel
des données acquises par les réseaux.
Le principal but de ce projet est de développer des outils pouvant être utilisés par les
responsables de la gestion du risque sismique pour mettre en place des EWS en
Europe. Ces outils doivent être facile d’utilisation et avoir une portabilité maximale.
En particulier, SAFER traite notamment des aspects suivants :
-
Développement d’algorithmes optimisés pour la détermination rapide des
paramètres de la source sismique (détection et localisation automatique…) ;
21
-
Déploiement de mécanismes de contrôle en temps réel pour la protection
d’infrastructures exposées ;
-
Amélioration de la fiabilité de l’estimation en temps réel du risque de
répliques ;
-
Applications à des villes « test » sélectionnées dans le cadre du projet
(Istanbul, Bucarest, Athènes, Naples et Le Caire) : certains de ces EWS
régionaux sont présentés dans les paragraphes 2.3.2 et 2.3.3.
Figure 5 : Sites test d’application du système d’alerte sismique précoce du projet SAFER
(www.saferproject.net).
2.3.2.
Systèmes appliqués à une région
EWS japonnais
www.jma.go.jp; www.tokyoprevention.com/alerte
Le Japon dispose d’un système d’alerte sismique précoce développé par l’Agence
Japonaise de Météorologie (JMA) et qui couvre l’ensemble du pays. Ce système,
initialement conçu pour un usage restreint à certains utilisateurs (institutions publiques,
centrales nucléaires, compagnies ferroviaires), a été étendu en 2007 à toute la
population, pour devenir le plus vaste système d’alerte existant au monde.
Principales caractéristiques :
- EWS opérationnel dans sa configuration actuelle depuis octobre 2007 ;
- délai d’alerte pouvant atteindre quelques dizaines de secondes ;
- réseau de surveillance très dense composé de près de 4000 sismomètres
répartis sur l’archipel ;
22
- il existe deux niveaux d’alerte en fonction de la puissance du séisme :
· dans le cas de séismes de magnitude modérée très fréquents au
Japon, émission d’alertes restreintes ;
·
lors de puissants séismes, diffusion d’alertes publiques via les
chaînes de télévision et de radio, par internet, ainsi que par des
haut-parleurs situés dans les lieux publics ;
·
dans tous les cas, le public peut être averti en s’équipant de
récepteurs individuels proposés par des entreprises spécialisées,
et qui utilisent les alertes du JMA émises sur internet. A titre
d’exemple, la société SunShine Co. Ltd propose le système
EQGuard, qui procède à un décompte du temps restant avant
l’arrivée des ondes S.
- coût pour les utilisateurs (www.tokyoprevention.com/alerte) :
· pour une entreprise : environ 50 000¥ (320€) pour l’installation du
système, auxquels s’ajoute un abonnement mensuel (90 000¥ 580€-pour une entreprise à Tokyo ; 130 000¥ -840€- à Osaka). Il
faut également compter l’achat du terminal et des différents
accessoires (sirènes…) à partir de 600 000¥ (3 900€) ;
·
pour un particulier : environ 300 à 3000¥ (2 à 20€) par mois pour
le récepteur permettant de recevoir l’alerte et l’abonnement au
service d’alerte.
EWS de Taïwan
Wu et Teng, 2002 ; Wu et Kanamori, 2005 ; Wu et al., 2007b
L’EWS de Taïwan, se distingue des EWS de Mexico et d’Istanbul par le fait que les
sources sismiques sont situées au sein même du territoire à protéger. De ce fait, ce
système d’alerte précoce est composé d’un réseau de stations particulièrement dense.
- opérationnel depuis 2002 ;
- alarme déclenchée jusqu’à 8 s avant l’arrivée des ondes S ;
- permet d’émettre une alarme pour les populations situées à plus de 70 km de
l’épicentre ;
- réseau composé 82 accéléromètres 3 composantes disposés sur un territoire
de 100 km sur 300 km ;
- localisation de l’événement dans les 10 premières secondes, et une dizaine
de secondes supplémentaires nécessaires à la détermination des paramètres
du séisme avec une précision sur la magnitude de ±0.25 ;
- magnitude estimée à partir des 10 premières secondes du signal par un sousréseau « virtuel » (Wu et Teng, 2002) constitué de l’ensemble des stations
situées dans un rayon de 60 km autour de l’épicentre (potentiellement ramené à
30 km : Wu et al., 2007b) ;
23
- très peu de fausses alertes enregistrées et de nombreux séismes de
magnitude supérieure à 6 détectés.
Figure 6 : Délais d’alerte attendus pour Taïwan pour un séisme identique à celui de Chi-Chi
(20/09/1999, Mw=7.6) - (Wu et Teng, 2002).
EWS de Californie (ElarmS)1
Allen et Kanamori, 2003 ; Allen, 2007 ; Wurman et al., 2007; www.elarms.org
La méthodologie ElarmS (Earthquake Alarm Systems) prend la forme d’une suite
d’algorithmes capable d’estimer à partir des ondes P, la localisation et la magnitude
d’un séisme. Ces algorithmes, qui utilisent les données provenant du réseau sismique
large-bande régional, ont été développés de manière à maximiser le délai d’alerte
dans les régions où la population est installée à proximité des sources sismiques.
- EWS à l’étude pour la Californie : ElarmS ;
- discrimination automatique des ondes P et S ;
- lorsque le séisme est détecté par une station, celui-ci est localisé au niveau de
cette station à une profondeur caractéristique du contexte sismotectonique
1
Non opérationnel.
24
local. Il est ensuite localisé entre 2 stations, puis 3. A partir de 4 stations, la
localisation est assurée grâce à des algorithmes classiques ;
- estimation de la magnitude par les stations épicentrales, à partir de l’amplitude
maximale et de la fréquence dominante des 4 premières secondes après
l’arrivée des premières ondes P : magnitude moyennée sur plusieurs stations
(relation entre τp et la magnitude) ;
- estimation des mouvements du sol à partir de l’estimation de la magnitude et
de l’utilisation de relations d’atténuation : réalisation d’une « carte d’alerte »
après une seconde. Cette carte est actualisée toutes les secondes au fur et à
mesure que d’autres stations enregistrent de l’information (Figure 7).
Figure 7 : Cartes d’alerte ElarmS établies 3s (a), 4s (b), 6s (c) et 9s (d) après un séisme
(d’après Wurman et al., 2007).
25
EWS de la région de Campania (ISNet)2 – projet SAFER
Weber et al., 2007 (a, b) ; Iervolino et al., 2008
Avec environ 6 millions d’habitants et un grand nombre d’installations industrielles, la
région de Campania (Italie) est fortement exposée au risque sismique. Dans le cadre
d’un projet financé par le département régional de la protection civile, un prototype de
système d’alerte sismique précoce nommé Irpinia Seismic Network (ISNet), y est en
cours de développement et de test. ISNet ne suit pas le modèle d’un site de
communication central pour la transmission des caractéristiques du signal, mais une
topologie « d’étoile étendue » conçue pour assurer une analyse rapide et robuste des
données (Figure 8). Il fonctionne sur le principe de sous-réseaux virtuels gérés par des
centres de contrôle locaux. Chaque nœud du réseau doit être capable de procéder à
l’analyse en temps réel des premières arrivées d’ondes P et de fournir l’estimation de
certains paramètres (temps d’arrivées, fréquence, amplitude…) au centre de contrôle
local le plus proche qui confronte les données issues des différentes stations pour
estimer la magnitude et la localisation du séisme. A mesure que de nouvelles stations
enregistrent le séisme, les caractéristiques du séisme sont réévaluées.
- en phase de développement ;
- délai d’alerte estimé de 14 à 20 s pour des distances épicentrales de 40 à 60
km, et de 26 à 30 s pour des distances de 80 à 100 km ;
- architecture :
· système de détection : 29 stations d’acquisition 24 bit, constituées
d’accéléromètres et de sismomètres 3 composantes, réparties en
6 sous-réseaux ;
· centres de contrôle locaux (LCC) : 7 LCC ;
·
centre de contrôle central : localisé à Naples ;
·
système de communication : communication entre les stations et
les LCC assurée par des connections radio ; communication entre
LCC et centre de contrôle central assurée par connection HDSL :
l’utilisation d’une simple ligne téléphonique permet de
communiquer entre le centre de contrôle central et les stations.
- réseau composé de 80 stations disposées sur un territoire de 100 km sur 70
km et couvrant les potentielles zones sismogéniques ainsi que les principales
villes de la région.
2
Non opérationnel.
26
Figure 8 : Système d’alerte sismique précoce ISNet (Weber et al., 2007a).
2.3.3.
Systèmes appliqués à une agglomération urbaine
EWS de Mexico (SAS)
Espinosa-Aranda et al, 1995 ; Lee and Espinosa-Aranda, 2003 ; Espinosa-Aranda et Rodríguez, 2003 ; Iglesias et al.,
2007
La plupart des puissants séismes susceptibles de causer des dégâts à la ville de
Mexico, trouvent leur source au niveau de la zone de subduction de la côte Pacifique
située à 320 km environ de la capitale mexicaine. Cette grande distance permet ainsi à
l’EWS de Mexico, nommé « Seismic Alert System of Mexico city » (SAS), de présenter
les délais d’alerte les plus importants de tous les EWS existants ; ceux-ci pouvant
atteindre plus de 70 s.
- SAS opérationnel depuis août 1991 ;
- détection automatique des ondes P et S, puis calcul de l’énergie du séisme à
partir de l’arrivée des ondes S pendant une durée égale à deux fois l’écart de
temps enregistré entre l’arrivée des ondes P et S (6 à 8 secondes environ). En
parallèle, le système calcule le taux d’accumulation de l’énergie pendant cette
même fenêtre de temps. La magnitude est ensuite estimée à partir de ces deux
paramètres.
- délai d’alerte compris entre cinquante et soixante-dix secondes (maximum de
74 s) ;
- sources à environ 320 km de Mexico ;
- architecture (Figure 9) :
· système de détection : 15 stations numériques de mouvements
forts (accéléromètres 3 composantes) espacés de 25 km, situées
27
à 300 km de la côte, et analysant chacune en continue l’activité
sismique dans un rayon d’une centaine de kilomètres ;
·
·
·
système de communication : un relai radio haute fréquence (VHF)
près d’Acapulco ainsi que trois relais radio VHF entre la côte et
Mexico (2s nécessaire pour que l’info passe de la côte à Mexico) ;
centre de contrôle : analyse des données des différentes stations
et prises de décisions ;
système d’alerte radio : alertes audio dans la ville, à la radio et
dans les installations sensibles.
- il existe deux niveaux d’alerte qui ne sont déclenchées que si au moins deux
stations confirment l’événement :
·
alerte restreinte si 5≤M<6 (alerte transmise aux autorités ainsi qu’à
quelques autres utilisateurs) ;
·
alerte publique si M ≥6 (existence de récepteurs radios consacrés
à l’alarme précoce).
- seul EWS en fonctionnement avec celui japonais, diffusant une alerte à la
population (pendant les heures de travail, environ 4.4 millions de personnes
sont couvertes par le système d’alerte) : interruption des programmes radio
pour diffusion de l’alerte ;
- arrêt en station des rames de métro et ouverture automatique des portes ;
- coûts : 1.2 M$ pour la phase de développement et d’installation, et 0.4 M$/an
pour la maintenance du système (Lee and Espinosa-Aranda, 2003).
Figure 9 : Système d’alerte sismique précoce de Mexico (Erdik, 2006).
28
Si le système d’alerte de Mexico reste l’un des exemples les plus connus d’EWS, son
bilan en terme de fiabilité est néanmoins contrasté (Espinosa-Aranda et Rodríguez,
2003) :
· On compte en effet beaucoup de fausses alertes ainsi que des événements non
détectés. SAS a néanmoins détecté avec succès 755 séismes de magnitude
comprise entre 4 et 7.3 entre 1991 et 2000.
·
Le plus important séisme détecté par SAS est celui de « Copala » (14/09/1995),
de magnitude 7.3 : le système a permis de déclencher une alarme 72 s avant
l’arrivée des mouvements forts.
Magnitude estimée
par le système
d'alerte précoce
Nombre d'alertes
déclenchées
restreinte
5≤M<6
publique
M≥6
Type
d'alerte
Magnitude "vraie"*
distribution des événements
4≤M<5
5≤M<6
M≥6
46
27 (59%)
12 (26%)
7 (15%)
11
4 (36.5%)
4 (36.5%)
3 (27%)
Tableau 1 : Performances du système d’alerte précoce de la ville de Mexico (août 1991 à juillet
2004) - (Iglesias et al., 2007). *Données de Harvard CMT ou du Service de Sismologie Mexicain
(SSN).
Exemple du séisme du 14 septembre 1995 (Mw = 7.3) :
A la suite du séisme du 14 septembre 1995, de magnitude 7.3, survenu dans la région
de Copala et fortement ressenti à Mexico, le système SAS a été activé et une alerte
publique a été émise. La majorité des radios commerciales de la capitale Mexicaine
ont diffusé l’alerte publique, permettant ainsi d’avertir une part importante de la
population de la ville (Tableau 2).
Utilisateur / organisation
Récepteurs activés Nb. personnes couvertes par l'alerte
écoles publiques
26
1 970 000
stations de radio (AM/FM)
22
2 000 000
métro
2
400 000
complexe résidentiel "el Rosario"
1
10 000
autres
35
9 000
Total
86
4 389 000
Tableau 2 : Performances du sytème d’alerte sismique précoce de Mexico lors du séisme du 14
septembre 1995 (M=7.3) – (Lee and Espinosa-Aranda, 2003).
29
EWS d’Istanbul (IERREWS)3 – projet SAFER
Erdik et al., 2003 ; Erdik, 2006 ; Böse, 2006
L’EWS d’Istanbul, nommé Istanbul Earthquake Rapid Response and Early Warning
System (IERREWS), a pour but de protéger la ville des puissants séismes qui ont lieu
au niveau de la grande faille de Marmara, située en mer, à une vingtaine de kilomètres
de la côte (Figure 10).
- en phase de test ;
- alarme déclenchée jusqu’à 8 s avant l’arrivée des ondes S ;
- architecture :
· système de détection : 10 stations de mouvements forts (large
bande) disposant d’une connexion radio sont situées le plus
proche possible de la grande faille de Marmara ;
· stations communication : relais radio ;
·
centre de contrôle : basé à Istanbul, il analyse les données des
différentes stations et prend les décisions.
- alarme basée sur le dépassement d’un seuil en amplitude : l’accélération
maximale et la vitesse absolue cumulée (CAV : Cumulative Absolute Velocity)
du signal filtré sont comparées à des valeurs seuil. Dans le cas du
dépassement de l’un des seuils sur l’une des stations, cela équivaut à un
« vote ».
Seuil en accélération :
·
Si accélération>20 mg : un vote. Si 3 autres votes suivant le
premier dans un intervalle de temps donné (5s) : première alarme.
·
Si, suite à la première alarme, 3 votes correspondant au
dépassement du seuil de 50 mg dans les 5s : 2e alarme.
·
Après la seconde alarme, si 3 votes correspondant au
dépassement du seuil de 100 mg dans les 5s : 3e et dernier
niveau d’alarme.
Seuil en CAV :
3
·
Le CAV est calculé uniquement pour les intervalles d’une seconde
pour lesquels PGA>3 mg : 1er vote lorsque dépassement de la
valeur seuil de 20 mg.s. Si 3 autres votes dans les 5 s suivant le
premier : première alarme.
·
Si 3 autres votes dans les 5 s suivant la première alarme,
correspondant au dépassement de seuil de 40 mg.s : 2e alarme.
Non opérationnel.
30
·
Si 3 autres votes dans les 5 s suivant la deuxième alarme,
correspondant au dépassement de seuil de 70 mg.s : 3e et dernier
niveau d’alarme.
Chaque niveau d’alarme correspond à des actions et à des destinataires de
l’information différents.
Figure 10 : Système d’alerte sismique précoce d’Istanbul (Erdik et al., 2003).
EWS de Bucharest4 – projet SAFER
Wenzel et al., 1999 ; Erdik, 2006, Böse et al., 2007, Ionescu et al., 2007/2008
La capitale roumaine est exposée à un aléa sismique relativement important, avec une
probabilité de 50% d’être affectée par un séisme de magnitude supérieure à 7.6 sur
une période de 50 ans. Un système d’alerte précoce basé sur la différence entre les
temps d’arrivée des ondes P et S, et capable de fournir des alertes de 25 s environ
avant l’arrivée des ondes S, y est en cours de réalisation. En particulier, du fait de la
grande stabilité des mécanismes des sources sismiques entre les séismes de faible et
de forte magnitude dans cette région, une estimation des mouvements du sol attendus
à Bucarest peut être entreprise à partir d’une analyse de l’amplitude des ondes P
enregistrées dans la région épicentrale.
- en phase de test, mais déjà utilisé pour une installation nucléaire : passage en
mode opérationnel en cours ;
4
Non opérationnel.
31
- à raison d’une distance épicentrale moyenne de 160 km, le délai d’alerte est
d’environ 20 s à Bucarest ;
- architecture :
· système de détection : 3 stations triaxiales situées dans la zone
sismogénique de Vrancea, dont une station située en fond de puits
à 50 m de profondeur de manière à éviter les déclenchements
accidentels (PLOR1), une autre en tête de puits (PLOR2), et la
troisième à 8 km du puits (VRI) ;
·
·
système de communication : liaison radio ou satellite ;
centre de contrôle : situé à Bucarest (Romanian Data Center).
- détection automatique des ondes P, puis traitement sur les premières
secondes d’enregistrement à l’observatoire de Vrincioaia, et estimation de la
magnitude du séisme ;
- 8 niveaux d’alarme associés aux valeurs d’accélération déduites des ondes P.
Figure 11 : Principe du système d’alerte de Bucarest (Ionescu et al., 2007).
2.3.4.
Systèmes spécifiques ou appliqués à un site
Système UrEDAS
Nakamura, 1988/1989/1996/2004
Le système UrEDAS (Urgent Earthquake Detection and Alarm System), initialement
développé au Japon pour être appliqué aux chemins de fer, est le seul système
d’alerte précoce au monde opérationnel basé sur l’analyse des ondes P. Il a déjà
montré son efficacité à de nombreuses reprises.
- opérationnel depuis 1990 ;
- approche par station unique ;
32
- traitement des signaux sismiques en série de façon extrêmement rapide et
sans stockage des données. L’alerte et les mesures automatiques de mise en
sécurité sont déclenchées lorsque la magnitude dépasse une valeur seuil ;
- « estimation primaire » dans un délai de 3 s après la première arrivée des
ondes P : calcul de la distance épicentrale, de l’azimut, de la profondeur et de la
magnitude (pour la magnitude, utilisation du paramètre τ). Ces estimations sont
envoyées en temps réel aux autorités compétentes par e-mail : une alarme
peut-être déclenchée automatiquement ainsi que des mesures d’arrêt du
réseau. Après l’arrivée de l’onde S, la distance à l’hypocentre est réévaluée : il
s’agit de « l’estimation secondaire ».
- alarme aux endroits qui peuvent être fortement touchés par le séisme
(sources sismiques situées à moins de 200 km) ;
- ralentissement puis arrêt automatiques des trains en circulation à proximité de
la zone de déclenchement de l’alerte.
Le système UrEDAS a montré son efficacité à de nombreuses reprises. Lors du
séisme du 23 octobre 2004 (Mw=6), une station UrEDAS située dans la zone
épicentrale a notamment permis de donner l’alerte une seconde seulement après
l’arrivée des ondes P, et de couper l’alimentation d’un train qui roulait à 200 km/h près
de l’épicentre et qui aurait pu dérailler (Figure 12).
Il existe également un système appelé Compact UrEDAS (en fonctionnement dans le
métro de Tokyo depuis 1998). Ce système évalue le pouvoir destructeur du séisme
(séismes situés à moins de 20 km) et émet une alarme selon deux fonctions : alarme
basée sur les ondes P ou S (plus long mais plus précis).
Figure 12 : Utilisation du système UrEDAS pour les lignes de train à grande vitesse Japonaise
(West Japan Railway Company, 2001).
EWS de la centrale nucléaire d’Ignalina (Lituanie)
Midorikawa, 2004 ; Wieland et al., 2000
33
-
réseau spécifique de 6 stations situées à 30 km de la centrale, et espacées
chacune de 30 km (voir figure ci-dessous) ;
-
délai d’alerte de 4 s environ si séisme à plus de 30 km ;
-
temps nécessaire à l’arrêt de la centrale : 2 s environ ;
-
alerte lorsque dépassement d’une valeur seuil d’accélération (valeur ajustable)
de 0.025 g (Griesser et al., 1998 ; Wieland et al., 2000).
Figure 13 : Système d’alerte précoce sismique de la centrale nucléaire d’Ignalina (Wieland et
al., 2000).
2.4. BILAN DE FONCTIONNEMENT
Si le principe d’alerte sismique précoce est aujourd’hui en plein essor, avec une
multiplication de projets d’EWS dans le monde, cet outil reste cependant très récent
comparé aux périodes de retour des événements sismiques importants. Malgré cela,
de précieux enseignements peuvent être tirés du bilan de fonctionnement des
systèmes d’alerte existants.
2.4.1.
Délai d’alerte
Le délai d’alerte résultant d’un EWS est très variable selon le système que l’on
considère : il varie typiquement de quelques secondes pour les EWS « spécifiques », à
quelques dizaines de secondes pour les EWS « régionaux ».
Contrairement à l’approche « spécifique » pour laquelle ce délai varie peu, dans le cas
de l’approche « régionale » le délai d’alerte est sujet à de grandes variations. Celles-ci
sont principalement dues à la spécificité de chaque site et à l’emplacement des
sources sismiques par rapport à la zone d’intérêt.
Il est également important de souligner que le délai d’alerte est intimement lié à la
résolution et à la fiabilité souhaitée pour l’alerte. Ainsi, comme nous l’avons déjà
souligné au paragraphe 2.1.2, il est nécessaire d’augmenter le temps de traitement des
34
données à mesure que l’on souhaite gagner en précision, et ce aux dépens du délai
d’alerte (Figure 14) (Grasso et al., 2007b). Le délai d’alerte est donc toujours à
considérer au regard des exigences en terme de performance du système d’alerte
(acceptabilité des fausses alertes et des alertes manquées).
Figure 14 : Représentation schématique du lien entre la précision et le délai d’alerte d’un
système d’alerte.
2.4.2.
Détection et fausses alertes
L’une des principales limites des systèmes d’alerte précoce est la question des fausses
alertes (diffusion d’une alerte non suivie de mouvements forts) et des alertes
manquées (mouvements forts non précédés d’une alerte). Dans le cas de l’utilisation
d’un EWS pour la protection de sites à fort enjeu (installations nucléaires, industries
présentant un risque particulier…), il est généralement décidé de procéder à une
évaluation conservative des mouvements du sol. Cette option « sécurisante » permet
de limiter au maximum les alertes manquées, au risque de multiplier les fausses
alertes. En revanche, en ce qui concerne la protection de régions urbanisées et/ou de
zones d’habitat, le choix est beaucoup moins évident. En effet, si la préoccupation
première reste bien la mise en sécurité des biens et des personnes en cas de séisme,
l’acceptabilité des fausses alertes par la population ne permet pas d’opter pour un
système conservatif procédant à de nombreuses fausses alertes. Cette acceptabilité
est d’autant plus faible que l’impact des actions de sauvegardes associées à l’alerte
sont importantes (Figure 15).
En ce sens, la méthodologie ElarmS (en phase de test en Californie) est très
intéressante car elle permet de déterminer les paramètres de la source sismique avec
une erreur décroissante au cours du temps. Chaque utilisateur du système peut ainsi
35
choisir le meilleur compromis délai d’alerte/fiabilité de l’alerte correspondant à son
utilisation (Grasso et Allen, 2007).
La probabilité de mauvaise prise de décision par l’EWS est un paramètre
déterminant dans l’impact et l’efficacité du système, qui doit être quantifié et pris
en compte dans le processus d’alerte (cf. méthodologie proposée dans l’article
de Grasso et al., 2007 a et b).
Figure 15 : Impact des fausses alertes par types d’actions prises par un système d’alerte
sismique précoce (d’après Iervolino et al., 2007).
D’un point de vue appliqué, il existe peu de données relatives aux performances des
EWS existants en termes de fiabilité des alertes. Les seules données disponibles font
état d’un bilan très mitigé du système de Mexico (SAS), avec seulement 30% des
alertes déclenchées correspondant au bon niveau d’alerte, et quelques événements
non détectés.
2.4.3.
Utilisation
Les EWS en fonctionnement dans le monde servent essentiellement à initier des
mesures automatiques de mise en sécurité : soit par arrêt automatique de systèmes
vulnérables et de procédés dangereux (coupure de réacteurs nucléaires et des
réseaux de gaz…), soit par une mise en sécurité des usagers (arrêt des trains à
grande vitesse, des ascenseurs…). Ces actions, très rapides à mettre en œuvre, sont
généralement les plus efficaces et les plus robustes.
Il existe également des mesures semi-automatiques impliquant l’intervention humaine,
et qui consistent à alerter automatiquement les usagers, de manière à ce qu’ils
puissent mettre en œuvre des actions de mise en sécurité préalablement définies. Ces
36
mesures nécessitent généralement un délai d’alerte plus important que les mesures
entièrement automatiques, mais elles permettent d’accroître notablement la portée et
l’efficacité des EWS.
Bien que peu développées du fait de leur complexité de mise en œuvre, les alertes à la
population constituent l’exemple le plus poussé des actions semi-automatiques
rendues possibles par les EWS (Compact UrEDAS au Japon - déclinaison du système
UrEDAS pour le grand public - et alertes radios à Mexico). Moyennant un important
effort de sensibilisation de la population et un délai d’alerte suffisant, ces alertes
publiques peuvent réduire considérablement les pertes humaines liées aux séismes.
2.4.4.
Magnitude et distance
La magnitude d’un séisme n’est pas un paramètre nécessairement déterminant dans le
fonctionnement d’un EWS. En effet, ce n’est pas tant la puissance de l’événement
sismique que le système doit évaluer, que son potentiel destructeur au niveau des
zones d’intérêt : lequel dépend du couple magnitude/distance. Aussi, les EWS
procèdent soit à l’estimation « classique » des paramètres du séisme (magnitude et
coordonnées épicentrales), soit à la confrontation de caractéristiques du signal avec
des valeurs seuil.
Dans tous les cas, il n’y a pas de restriction en termes de puissance de séisme pour
que puisse fonctionner un EWS. En revanche, l’utilisation de tels systèmes d’alerte est
limitée par la distance épicentrale (1) des stations de surveillance sismique et (2) des
zones à protéger. Cette restriction constitue la principale limite qui rend inapplicable le
principe d’EWS régionaux dans de nombreuses régions sismiques du monde. Le
système d’alerte de Taïwan n’est ainsi efficace que pour les distances épicentrales
supérieures à 70km.
2.5. INFRASTRUCTURES NECESSAIRES
Les systèmes d’alerte sismique précoce doivent être en mesure de détecter
automatiquement les séismes, de traiter les données acquises de manière à émettre
ou non une alerte, le cas échéant de transmettre l’alerte.
Hormis le cas du système UrEDAS qui constitue un cas bien particulier, les EWS sont
généralement organisés de la manière suivante :
· système de détection : réseau de stations sismiques capables de détecter
automatiquement l’occurrence de séismes, et éventuellement d’effectuer un prétraitement des données ;
· système de communication : liaisons rapides et sécurisées (liaison satellite,
radio, téléphone…) permettant de rapatrier les enregistrements au centre de
contrôle ;
· centre de contrôle : analyse (et traitement) automatique(s) des données en
temps réel et émission de l’alerte ;
· système de diffusion de l’alerte.
37
A ce sujet, l’article de Weber et al. (2007b) offre une bonne description du
matériel pouvant être utilisé pour le développement d’un EWS régional.
2.5.1.
Stations sismiques
Une station sismique est généralement composée de :
-
Capteur permettant l’acquisition analogique des mouvements du sol ;
-
Antenne GPS pour l’acquisition de l’heure associée aux enregistrements ;
-
Data logger pour l’acquisition temps-réel des informations des capteurs et GPS,
la conversion analogiques/numérique des enregistrements, le transfert de flux
de données vers le système de communication choisi ;
-
Système de communication adapté au mode de transmission des données
(radio, satellites …) ;
-
Alimentation électrique de la station.
Pour un réseau d’alerte, il est nécessaire d’avoir des capteurs 3 composantes, avec
une dynamique large : suffisamment sensible pour la détection des séismes et ne
saturant pas pour les événements les plus forts. La configuration idéale est de pouvoir
coupler un capteur vélocimétrique large bande et un capteur accélérométrique.
Le « data logger » doit pouvoir gérer au moins 6 voies d’enregistrements (3
composantes LB + 3 composantes accélérométres) avec un pas de digitalisation de
100 à 125 Hz et une numérisation de 24 bits. Le flux de données numériques à gérer
pour une station est alors d’au moins 18 kbits/sec. La capacité de stockage
correspondante pour une seule station est de 186 Mo par jour, si on souhaite
conserver toutes les données transmises.
L’alimentation électrique doit être suffisante pour le capteur, le GPS, le data logger et
le système de transmission. Un système de panneau solaire et de batteries doit être
installé pour que la station continue à fonctionner en cas de coupure si elle est
connectée au réseau électrique.
Pour les Antilles, il faut également envisager la possibilité de stations sismiques sousmarines permanentes, ce qui impose des contraintes d’installation particulières. Un
point sur les systèmes existants est dressé au paragraphe suivant.
2.5.2.
Stations sismiques temps réels « off shore »
Aux Antilles, un réseau de surveillance proche des sources sismiques nécessite la
mise en place de stations sismiques permanentes en mer. Si les OBS (Oceanic Bottom
Seismograph) sont maintenant des capteurs couramment utilisés pour étudier les
sources sismiques en mer, la transmission temps réel de ce type de données fait
encore l’objet d’études expérimentales.
38
Les stations connectées par câbles
• Les réseaux d’OBS permanents du Japon
Le Japon utilise depuis les années 1990 des OBS permanents reliés en temps-réel aux
centres de données par câble sous-marins. 8 réseaux de ce type ont été mis en place
par différents organismes pour la surveillance sismique et l’alerte des tsunamis (cf.
Figure 16). Les câbles utilisés sont des câbles de télécommunication sous-marins
conventionnels. Le coût de ces câbles, posés par des navires câbliers, est un frein
majeur au développement de réseaux d’OBS permanents (Plus de 3 millions d’Euros
par 100 km de câble posé). Le coût est amoindri par l’utilisation de câbles de
télécommunication réformés ou de câbles existants.
Figure 16 : Observatoires sous marins cablés autour du Japon (Source :
http://homepage.mac.com/ieee_oes_japan/ARENA/ARENA-E.html).
Un exemple de ce type de réseau est celui installé en 1999 par l’agence japonaise
JAMSTEC (Japan Agency For Marine-Earth Science And Technology) au large de
Kushiro-Tokashi, au sud est d’Hokkaido. Il est constitué d’un réseau de 3 OBS en mer,
à environ 150 km des côtes et à 2500 mètres de fond. Un bilan de fonctionnement de 6
années d’expérimentation a été effectué (Watanabe et al., 2007).
39
• OBS permanent en France
Geosciences Azur développe des programmes de recherche sur des OBS permanents
utilisant le câble sous –marin du projet Antares à 2500 m de fond au large de Toulon.
(projets Mogli, Deep Sea Net).
• L’OBS Alboran du projet FOMAR
Le réseau FOMAR est un projet en cours d’installation de 4 stations OBS en mer
d’Alboran et dans le golfe de Cadix entre l’Espagne et le Maroc. Une de ces stations
est un OBS permanent qui sera relié par câble à la côte.
•
L’OBS de Catalogne
En 2005, l’Institut Géologique de Catalogne (IGC) a installé un OBS permanent à 50
km au large de la côte de Tarragona. L’OBS situé à 150 m de fond est relié par un
câble de 400 m à une plateforme de forage pétrolier : la plate forme Casablanca. De là,
une liaison satellite VSAT permet l’intégration de la station au réseau de surveillance
sismique de Catalogne.
( http://www.igc.cat/web/gcontent/en/sismologia/igc_sismologia_obs.html )
Les stations connectées à des bouées
• Les Bouées DART
Les systèmes d’alerte Tsunamis disposent de stations « off shore » avec transmission
de données temps réel : les bouées DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of
Tsunami - Figure 17).
Elles permettent de détecter les mouvements en profondeur grâce à des capteurs de
pression situés sur le fond de l’océan. Les données sont transmises à la bouée en
surface qui envoie immédiatement les informations au centre de contrôle par un
satellite géostationnaire GOES.
40
Figure 17 : Schéma de fonctionnement d'une bouée DART. (Source :
http://www.wikeo.be/files/2356/tsunami-dart-system2.jpg).
Ce système sert à transmettre les informations de capteurs de pressions en fond de
mer. Le signal à transmettre est moyenné sur une fenêtre de 15 secondes. Les
informations sont transmises vers la bouée par onde acoustique toutes les 20
secondes. Le débit d’information à transmettre est donc beaucoup plus faible que celui
d’un capteur sismique large bande trois composantes échantillonné à 100 Hz. Il n’y a
pas de bouée DART reliée à des OBS.
• Les stations RTOSS (Real Time Offshore Seismic Station)
Une alternative aux réseaux câblés en cours de développement est l’utilisation de
bouées avec des systèmes équivalents à la bouée DART.
La station RTOSS, mis au point par le Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI),
est en cours d’expérimentation dans la partie Sud de la mer des Caraïbes depuis mai
2007, pour instrumenter le volcan sous-marin Kick’em Jenny à 250 mètres sous la
surface. L’OBS est relié à la bouée par un câble. Les données sont transmises ensuite
par radio jusqu’au centre d’observation.
41
Figure 18 : Station RTOSS (Illustration par E. Paul Oberlander, Woods Hole Oceanographic
Institution).
• Projet SEAHELLARC
SEAHELLARC (SEismic and tsunami risk Assessment and mitigation scenarios in the
western HELLenic ARC) est un projet de recherche européen qui a débuté en Juin
2006 pour 3 ans (www.seahellarc.gr). Le Workpackage 8 consiste à la mise en place
d’une station sous marine au large de la Grèce avec transmission temps réel. Le
concept est identique à la station RTOSS. L’équipement bouée et système de
transmission est proposé par la société allemande Geopro (www.geopro.com).
42
Figure 19 :Schéma de la future station sous marine permanente SEAHELLARC.
Bilan
Les stations permanentes les plus répandues et véritablement fonctionnelles pour de la
transmission temps réel restent les stations reliées par câble jusqu’à la côte. Les OBS
reliés à des bouées en mer, sont encore au stade expérimental. Dans tous les cas
recensés ici, le capteur est relié à la bouée par câble.
2.5.3.
Système de communication
Il existe plusieurs solutions pour la transmission des flux de données numériques en
continu.
-
Connexion Ethernet : Les données sont transmises en utilisant les réseaux de
sites publics ou d’universités. Les stations « Sismo des Ecoles » utilisent ce
type de connexions. La connexion est robuste et gratuite. Cependant elle est
dépendante des services informatiques des sites ;
-
ADSL : La couverture est très large en métropole. Aux Antilles, elle se
développe aussi fortement mais avec encore des zones non éligibles pour le
Haut Débit. Cela nécessite cependant l’installation d’une ligne téléphonique au
niveau de la station ou éventuellement de relais wifi jusqu’à la ligne
téléphonique ;
-
Satellite : Le transfert de données d’une station à un centre de réception par le
système VSAT est maintenant assez répandu en sismologie. Libra VSAT de
Nanometrics
(http://www.nanometrics.ca/index.php?Itemid=96&id=93&option=com_content&
43
task=view) est le système adopté pour le réseau d’alertes tsunamis dans la
Caraïbe et sur la zone transfrontalière orientale des Pyrénées (réseau IGCBRGM ISARD) ;
-
GPRS/EDGE/UMTS : Il s’agit d’utiliser la téléphonie mobile (norme GSM) pour
la transmission de données numériques. GPRS et EDGE sont des
améliorations de la norme GSM pour améliorer les débits. UMTS est une norme
récemment développée pour la 3G (troisième génération de téléphonie mobile)
permettant de la transmission haut-débit. Ces types de transmissions sont en
cours d’évaluation en France pour une éventuelle application au Réseau
Accélérométrique Permanent (RAP).
-
Liaison radio UHF/VHF. La transmission par liaison hertzienne reste
également une possibilité. Elle nécessite cependant de mettre en place son
propre réseau de communication, de relais radios et de disposer des
fréquences radios attribuées spécifiquement au réseau. Les autres solutions
plus récentes et mieux adaptées à de la transmission haut débit sont celles qui
se développent le plus.
Différentes technologies existent et sont en rapide évolution. Dans le cadre d’un
réseau d’alerte qui nécessite une grande fiabilité et une autonomie vis-à-vis
d’opérateurs de téléphonie ou de fournisseurs d’accès internet, la transmission satellite
reste le moyen le plus sûr, mais nécessite des investissements et des frais de
fonctionnement plus élevés.
2.5.4.
Centre de contrôle
Le centre de contrôle a principalement trois tâches à accomplir :
-
Il réceptionne en temps réel les données numériques de toutes les stations du
réseau d’alerte ;
-
Il gère le système de traitement automatisé des données et de détection des
évènements sismiques ;
-
Il assure le déclenchement de l’alerte et sa transmission immédiate aux
autorités.
Même si, dans le cadre d’une alerte précoce, les processus sont totalement
automatisés, une présence permanente 7 jours sur 7 et 24h sur 24 est nécessaire à la
fois pour la maintenance technique de tout le système, mais également pour le
contrôle des informations transmises. Le délai de traitement et de diffusion de l’alerte
est très court, il n’y a pas de contrôle par un sismologue de l’alerte transmise. En
revanche, dans les minutes qui suivent, il faut pouvoir immédiatement rendre compte
de ce qui s’est réellement passé quelque soit le niveau de l’alerte et en cas de fausse
alerte. Il y a donc la nécessité d’une permanence minimale d’un informaticien et d’un
sismologue au niveau du centre de contrôle.
Les équipements nécessaires à un centre d’alerte sont :
44
-
un système de réception des données temps réels ;
-
des moyens informatiques lourds pour gérer les flux de données et leur
stockage (serveurs, disques, réseaux …) ;
-
des moyens importants de sécurisation pour gérer les dysfonctionnements en
temps réel ;
-
un système de traitement des données spécifique temps réel et au
déclenchement de l’alerte.
Système de traitement des données temps-réel
Il est constitué d’un ensemble de logiciels ayant pour rôle :
-
la réception temps réel des enregistrements de toutes les stations ;
-
la réception temps réels des informations de déclenchements des stations
sismiques ;
-
la détection automatique d’un événement sismique à partir de l’association des
données captées ;
-
la localisation temps-réel de cet événement ;
-
l’estimation temps-réel de la magnitude ;
-
le déclenchement de l’alerte.
Il existe actuellement 3 systèmes de logiciels de gestion de flux de données
sismologiques temps-réels :
-
Earthworm développé par USGS: (http://folkworm.ceri.memphis.edu/ew-doc/) ;
-
Seiscomp développé par GFZ pour le programme GEOFON (http://geofon.gfzpotsdam.de/geofon/seiscomp/) ;
-
Antelope
développé
par
le
constructeur
(http://www.kinemetrics.com/product_Content.asp?newsid=122).
Kinemetrics
Earthworm est le système le plus couramment utilisé car fourni gratuitement par
l’USGS. Ses fonctionnalités et sa convivialité (interfaces html par exemples) sont
cependant moins développés que ses 2 concurrents. De nombreux développements
sont nécessaires pour mettre en place un système de traitement temps réel optimisé
selon les besoins. On peut citer par exemple le système catalan ISARD développé
autour d’Earthworm.
La gestion des données sismologiques temps-réel nécessite de définir un protocole
spécifique de transfert de données ainsi que le format des données numériques. Le
protocole SEEDLINK développé par GFZ et le format Miniseed sont recommandés
pour les réseaux d’alerte tsunami.
45
Earthworm, SeisComp et Antelope gèrent ce protocole SEEDLINK ainsi que les
principaux fournisseurs de data logger pour stations sismiques (AGECODAGIS,
Guralp, Lennartz, Nanometrics…).
Quelque soit le système choisi, des adaptations sont de toute façon nécessaires pour y
intégrer les codes de calculs spécifiques à l’alerte précoce.
46
3. Faisabilité aux Antilles françaises
3.1. ALEA SISMIQUE AUX ANTILLES
3.1.1.
Contexte sismotectonique
Les îles des Antilles françaises sont situées sur la bordure occidentale de la plaque
tectonique Caraïbe. La tectonique de l’arc insulaire des petites Antilles est gouvernée
par le mouvement de subuction de la plaque Atlantique vers la plaque Caraïbe avec
une vitesse moyenne de l’ordre de 2 cm/an (Figure 20). La plaque plongeante
s’enfonce jusqu’à une profondeur de 200 km en dessous des îles de l’arc volcanique.
Figure 20 : Contexte tectonique sismicité régionale (fond de carte N. Feuillet, 2000).
47
La Figure 21 montre une coupe simplifiée de la subduction aux latitudes de la
Guadeloupe et de la Martinique (Martin et al., 2002). La plaque se situe à une
profondeur de plus de 100 km à l’aplomb de l’île de la Martinique et de l’archipel de la
Guadeloupe. Ce contexte de subduction est responsable, non seulement de l’activité
sismique, mais aussi de l’activité volcanique de l’arc des Petites Antilles.
Figure 21: Coupe de la subduction au niveau de la Guadeloupe (figure du haut) et de la
Martinique (figure du bas) - (Martin et al., 2002).
48
3.1.2.
Sismicité régionale
Période de retour des séismes destructeurs
La Figure 22 montre la position des principaux séismes destructeurs pour les îles des
Antilles françaises d’après le catalogue Sisfrance/Antilles (2007). Il est cependant à
noter que la sismicité n’est connue que sur une courte période historique (trois siècles),
avec des données regroupées sur les îles de la Martinique et de la Guadeloupe.
Figure 22 : Principaux séismes fortement ressentis en Martinique et en Guadeloupe (intensité
MSK ≥ VI). L’intensité maximale observée pour chaque séisme est indiquée entre parenthèses
(données SisFrance 2007, à l’exception du séisme du 29/11/2007 pour lequel l’intensité
renseignée provient du BCSF : intensité EMS98).
Dans la zone de subduction, de forts séismes avec des magnitudes jusqu’à 8 sont
possibles. Les séismes majeurs connus ayant fortement affecté les Antilles françaises
(intensité maximale ressentie sur les îles de la Martinique et de la Guadeloupe au
moins égale à VIII) sont ceux de septembre 1702 (Imax = VIII), du 11 janvier 1839 et
du 8 février 1843 (Imax = IX) ; le séisme de 1843, de magnitude estimée entre 7.5 et 8
49
et ayant entièrement détruit la ville Pointe-à-Pitre, constitue l’événement historique le
plus important qu’ait connue la région.
A partir de ces données, il est possible d’estimer les ordres de grandeur des périodes
de retour attendues pour les séismes destructeurs au niveau des Antilles françaises
(Figure 23). Il en ressort que les séismes susceptibles de provoquer des dégâts
importants (intensité supérieure ou égale à VII) sur les îles de la Martinique ou de
la Guadeloupe, surviennent en moyenne tous les 25 ans environ. Pour les îles
de Guadeloupe et de Martinique considérées séparément, cette période de retour
est d’environ 50 ans. D’autre part, le calcul de ces temps de récurrence met en
évidence le fait que l’île de la Martinique a été plus affectée par les séismes que
l’archipel de la Guadeloupe sur la période 1800-2007.
Concernant les îles de Saint-Martin et de Saint-Barthélemy, la très faible quantité de
données macrosismiques ne permet pas de caractériser leur exposition à des séismes
destructeurs.
Figure 23 : Estimation des périodes de retour des séismes dommageables pour les Antilles
françaises (estimation réalisée sur la période 1800-2007à l’aide des données SisFrance).
Caractéristiques de la sismicité régionale
La sismicité régionale est caractérisée par trois types de séismes distincts :
-
50
ceux de la zone de subduction avec des magnitudes pouvant aller jusqu’à 8.0
et jusqu’à des profondeurs de 150-200 km. La répartition des séismes en
fonction de leur profondeur, met en évidence un approfondissement de la
sismicité à mesure que l’on se déplace vers l’Ouest lié à cette subduction de la
plaque Atlantique (cf. Figure 20 et Figure 21). Ce type de séisme est représenté
notamment par l’événement du 8 février 1843, de magnitude estimée à 8.
-
les séismes intraplaques superficiels avec des magnitudes jusqu’à 6.5, tels que
les événements des Saintes du 21 novembre 2004 (M=6.3) ou de Montserrat
du 16 mars 1985 (M=6.5) ;
-
les séismes d’origine volcanique beaucoup plus faibles comme lors de la crise
volcanique de 1976.
Compte-tenu du contexte local, les séismes destructeurs les plus probables pouvant
affecter la Martinique et la Guadeloupe, sont les événements liés à la subduction vers
50–60 Km de profondeur (fortes magnitudes possibles et distances focales inférieures
à 100 km). En fonction de leur position sur la zone de subduction, la zone affectée peut
être plus ou moins grande. Les dégâts peuvent apparaître pour des magnitudes
proches de 6.
Les séismes de subduction plus profonds (profondeur supérieure à 130 km) présentent
des distances focales plus importantes (150 km ou plus). Il faut alors des magnitudes
plus importantes pour obtenir des dégâts de même niveau que pour les séismes plus
superficiels (de l’ordre de 6.8). En revanche, ces séismes présentent des aires
isoséistes plus larges (dégâts moins localisés).
Il faut noter que les sources sismiques provenant des failles superficielles peuvent
également donner lieu à des dégâts importants à proximité de l’épicentre, avec une
rapide atténuation lorsque la distance épicentrale augmente.
Aléa sismique régional
L’aléa sismique régional a été évalué récemment en vue de la révision du zonage
sismique de la France. Cette évaluation, réalisée par la société GEOTER (Martin et al.,
2002), a été menée en suivant une approche probabiliste. La valeur médiane de
l’accélération horizontale du sol à période spectrale nulle (PGA) obtenue dans cette
étude pour une période de retour de 475 ans (probabilité de dépassement de 10% en
50 ans), varie globalement entre 170 et 290 cm.s-2 (Figure 24). Ces niveaux, les plus
forts atteints sur le territoire national, correspondent à des intensités MSK VII à VIII
selon l’échelle de conversion intensité/PGA (Figure 25) utilisée par l’Observatoire
Volcanologique et Sismologique de la Guadeloupe (OVSG) pour ses « rapports
préliminaires ».
51
Figure 24 : Accélération horizontale du sol selon l’étude probabiliste de GEOTER (Martin et al.,
2002), pour période spectrale nulle et une période de retour de 475 ans (valeurs d’accélération
médianes).
Figure 25 : Tableau de correspondance entre l’intensité macrosismique et le PGA de
l’OVSG/IPGP, inspiré des ShakeMaps de l’USGS (Beauducel et al., 2004).
Bilan
Guadeloupe et Martinique sont des zones où le risque sismique est élevé avec des
intensités VIII à IX attendues, ce qui peut justifier la mise en place d’un EWS.
A noter cependant un contexte particulièrement difficile pour ce type de réseau
d’alerte. L’aléa sismique concerne à la fois :
52
-
des sources très proches (cf. en Guadeloupe séismes de 1851, 1897,
2004) pour lesquels une alerte précoce sera difficilement envisageable en
raison de la distance très courte ;
-
des sources de subduction peu profondes (contact entre plaque Caraïbe
et Atlantique) : la mise en place de stations permanentes à proximité de
ces sources est difficile car elle nécessite la mise en place de
sismographes sous marins ;
-
des sources de subduction plus profondes (100 à 200 km) à l’aplomb des
îles à protéger pour lesquels il ne sera de toute façon pas possible de
disposer de stations sismiques proches de ces sources.
3.2. SURVEILLANCE SISMIQUE
3.2.1.
Réseaux de surveillance en place
Les petites Antilles disposent d’une importante densité de réseaux de surveillance
gérés par différents organismes, dont nous dressons ici une synthèse (Figure 26).
Figure 26 : Localisation des stations sismologiques en fonctionnement dans les petites Antilles.
53
Réseaux IPGP
L’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) dispose de deux réseaux de
surveillance :
•
•
Le réseau de l’Observatoire Volcanologique et Sismologique de Guadeloupe
(OVSG), qui compte 25 stations :
-
21 stations sismologiques « courte période » continues et télémétrées,
dont 12 sont installées sur le massif de la Soufrière ;
-
4 stations sismologiques « large bande », 3 composantes numériques,
continues et télémétrées, installées autour du dôme de la Soufrière.
Le réseau de l’Observatoire Volcanologique et Sismologique de Martinique
(OVSM) qui compte 16 stations :
-
14 stations sismologiques « courte période » continues et télémétrées,
dont 6 sont installées sur le massif de la Montagne Pelée ;
-
2 stations sismologiques « large bande », 3 composantes numériques
continues : une station du réseau mondial GEOSCOPE (IPGP) installée
à l'observatoire, l’autre sur la Montagne Pelée.
Les stations gérées par l’IPGP bénéficient d’une liaison radio et d’une acquisition
continue. Cependant, la majeure partie du réseau est constituée de stations courte
période avec seulement quelques unes équipées de sismographes 3 composantes,
avec une largeur de bande fréquentielle et surtout une dynamique beaucoup trop faible
pour être utilisée en système d’alerte précoce.
Réseau RAP/IPGP
L’IPGP a mis en place, entre 2001 et 2005, 27 stations accélérométriques
permanentes qui constituent la partie antillaise du Réseau Accélérométrique
Permanent (RAP) : 17 en Guadeloupe, 8 en Martinique et 2 sur les îles de Saint-Martin
et de Saint-Barthélemy, à l’extrême Nord de l’arc des petites Antilles. Les données
enregistrées par ce réseau, géré par les Observatoires Volcanologiques et
Sismologique de la Martinique et de la Guadeloupe, sont transmises au site central du
RAP au Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique (LGIT) de Grenoble.
Les enregistrements ne sont pas en continu mais déclenchés sur des intervalles de
temps limités suivant des critères de rapports signal sur bruit. Les stations sont
interrogées à distance par téléphone une fois par jour. Ce système n’est pour l’instant
pas du tout adapté pour du temps réel. Le groupe technique de travail du RAP a
évalué les solutions possibles pour le passage des stations en acquisition continue.
Certaines stations métropolitaines sont déjà en acquisition continue. Aux Antilles, seul
le site expérimental d’étude de la liquéfaction de Belle-Plaine à Gosier (Guadeloupe)
est équipé de ce dispositif (Station d’acquisition numérique Kephren d’Agecodagis et
transmission par ADSL au site central de Grenoble).
54
Réseau BRGM
Le BRGM dispose aux Antilles d’un réseau de 14 stations accélérométriques. Les
premières stations ont été installées en 1994. Sur la période 1996-2000, un réseau de
plus de 14 stations été installé dans l’agglomération de Pointe à Pitre. Le
démantèlement partiel de ce réseau a permis de développer le réseau de Martinique à
partir de 2001. L’objectif principal est de mieux appréhender les effets de site en zone
urbaine. En 2008, 7 stations sont installées en Guadeloupe et 7 en Martinique. Une
station a été installée au Sud de la Dominique en Décembre 2007.
Le réseau est composé de 3 types de stations :
-
8 SMACH 12 bits équipés de capteurs AC23 ;
-
2 Kinemetrics 24 bits de type K2 ;
-
4 GSR24 24 bits équipés de capteurs AC23.
Seule la moitié d’entre elles sont pourvues de récepteurs GPS permettant un calage
précis de la référence horaire. Les enregistrements ne sont pas acquis en continu mais
par déclenchement et sont stockés sur des cartes mémoires internes. Hors période de
crise, les stations sont relevées tous les deux mois environ.
Depuis 2004, un réseau de 4 stations Large Bande est installé dans la commune de
Bouillante pour l’étude du champ géothermique. Les données sont enregistrées en
continu sur des disques internes. Les données sont relevées tous les mois.
Réseau du Conseil Général de Martinique
Depuis 1995, le Conseil Général de la Martinique développe et exploite son propre
réseau accélérométrique en collaboration avec l’IPGP, représenté en Martinique par
l’OVSM. Ce réseau comprend une trentaine de stations de mesure (26 stations de
type SMACH et 4 stations de type TITAN en 2005). Certaines stations SMACH (5) sont
pourvues de récepteurs horaires GPS. Le réseau couvre l'ensemble de l'île et permet
la surveillance du patrimoine départemental où les stations sont installées (Collèges,
Archives, Centre culturel, Bâtiments administratifs,...).
Le rapatriement des données des stations est effectué par l'intermédiaire du réseau
téléphonique. Les enregistrements de séismes sont ensuite mis en ligne sur le site
Internet du Conseil Général de la Martinique, où une interface cartographique permet
la visualisation des stations ayant déclenché sur un événement sismique identifié et
d'afficher les accélérogrammes correspondants.
Réseau SRC de Trinidad
L’Unité de recherche sismologique de l’Université West Indies de Trinidad (SRC,
Seismological Research Center) dispose d’un réseau de stations localisées sur les îles
de Nevis, de Montserrat, de La Dominique et de Sainte-Lucie. Comme pour les
réseaux de surveillance de l’IPGP, les données sont transmises par radio en temps
55
réel au SRC. Le réseau est en complète restructuration depuis 2005 (voir paragraphe
plus bas).
Stations Sismo-des-Ecoles
Il s’agit de stations sismiques à vocation pédagogique installées dans des collèges ou
lycées. Le programme « Sismo des Ecoles » a été initié en métropole en 1997. Un
réseau de 5 stations a été mis en place par le BRGM en Guadeloupe entre 2004 et
2007. Le programme « Sismos à l’Ecole » prenant la suite du « Sismo des Ecoles » a
permis l’installation d’une station supplémentaire en Guadeloupe et de 5 stations en
Martinique en 2008.
Les stations sont équipées de capteurs Large Bande Noemax reliées à des boîtiers
numériques SAGE d’AGECODAGIS (ou boîtier d’acquisition numérique Minititan3DG
relié à un boîtier Mykerinos). Ces stations permettent une acquisition en continu sur un
disque interne et une consultation de la station et de ses enregistrements par Internet
grâce à des connexions Ethernet sur les réseaux informatiques des rectorats de
Martinique et de Guadeloupe.
Il ne s’agit pas ici véritablement de temps réel. Les données numériques sont
stockées dans une mémoire tampon et des fichiers de 5 mn sont créés et stockés sur
disque. La visualisation au travers d’une interface html permet de visualiser les signaux
à distance avec une réactualisation toutes les 5 minutes.
Stations CTBTO
Les stations H5A à la Désirade et H5B au sud de la Martinique, sont des stations 3
composantes gérées par le CEA/DASE mais dont la maintenance est assurée par
l'OVSM. Elles font partie du réseau mondial assurant le contrôle de l'application du
Traité d'Interdiction Totale de Essais Nucléaires (CTBTO). Les données acquises par
ces stations sont transmises par connexion satellitaire mais ne sont pas disponibles
pour une utilisation autre que celles du CTBTO.
3.2.2. CDSA
Le Centre de Données Sismologiques des Antilles (CDSA) a été créé de manière à
rendre disponible les données sismologiques relatives aux petites Antilles. Il est géré
par l’IPGP, le BRGM et l’Université des Antilles et de la Guyane (UAG). Il est hébergé
dans les locaux de l’OVSG en Guadeloupe.
Ainsi, le CDSA collecte toutes les données disponibles acquises dans la région et les
centralise dans une même base de données. En 2005, le CDSA récoltait ainsi les
données issues de plus de 120 stations (42 stations courtes périodes, 10 stations
large-bande et 69 stations accélérométriques) Cependant, il n’a ni la vocation, ni la
capacité, d’effectuer leur traitement en temps réel.
56
3.2.3. Restructuration des réseaux de surveillance sismique aux Petites
Antilles pour l’alerte Tsunami
Dans le cadre du réseau d’alerte Tsunami pour la Caraïbe (CarTWS : http://www.ioctsunami.org/index.php?option=com_content&task=view&id=168&Itemid=128/),
les
réseaux de surveillance sismique dans l’arc des Petites Antilles sont en pleine
restructuration depuis 2005. De nouvelles stations large-bande sont installées avec,
pour certaines, des transmissions en temps réel par satellite (Figure 27) :
-
Aux Antilles néerlandaises, 3 stations ont été installés en 2006-2007 à SaintMartin, Saba et Saint-Eustache par le KNMI. La station de Saint-Martin envoie
ses données par satellite au TWS ;
-
L’USGS a installé 9 nouvelles stations dans la Caraïbe, dont 3 aux Petites
Antilles à Barbuda, Grenade et la Barbade dont la gestion est confiée au
SRC (les 6 autres stations sont situées en République Dominicaine, Cuba,
Jamaïque, Honduras, Panama et aux iles Turks et Caicos);
-
Le SRC a mis en place 4 stations à Saint-Vincent, Sainte-Lucie, Saint-Kitts et
Nevis, ainsi qu’en Dominique.
57
Figure 27 : réseaux large bande aux Petites Antilles (source : OVSG/IPGP).
3.2.4. Modernisation des réseaux de l’IPGP
L’IPGP modernise également ses réseaux de surveillance. En 2008, deux nouvelles
stations Large Bande avec transmission satellite VSAT sont installées (Deshaies et
Désirade). Six autres stations de même type sont prévues dans les années à venir.
L’IPGP renforce également le réseau Geoscope aux Antilles : la station FDF en
Martinique a été équipée d’un système de transmission temps réel en 2005. Une
nouvelle station est prévue au Moule en Guadeloupe. D’autres stations large bande
sont prévues dans le cadre de projets futurs (en orange sur la Figure 28).
Les stations mises en place par l’IPGP sont équipées de :
58
-
Sismomètre large bande ;
-
Accéléromètre doté d’une grande dynamique ;
-
Antenne et récepteur GPS pour mesure des déformations ;
-
Système de transmission satellitaire VSAT.
Pour la réception temps-réel de ces données, l’OVSG s’est équipé en 2008 d’un centre
de réception satellitaire. Il comprend une antenne de réception de 3 m de diamètre et
d’un équipement informatique sophistiqué de haute disponibilité et à tolérance de
panne (redondance des équipements, câblage réseau en fibre optique, baies de
serveurs et de disques pour le stockage des données, onduleurs, système électrique
sécurisé, etc.).
Le centre de réception satellitaire VSAT permet la réception de 12 stations
sismologiques. En plus de ses propres stations l’OVSG recevra également en temps
réel les données de stations du SRC.
La gestion du flux de données est assurée par le logiciel « Earthworm »
(http://folkworm.ceri.memphis.edu/ew-doc/).
Des développements sont nécessaires pour interfacer le système de flux de données
avec les outils de détections, de pointés, de localisation. L’OVSG cherche à
uniformiser la gestion des flux de données venant de différentes sources (VSAT mais
aussi réception des stations actuelles par radio-modem et de stations par internet).
Ainsi à la fin 2008, l’OVSG disposera de tous les équipements nécessaires à la
réception et au traitement de données sismiques numériques en temps-réel. Cet
Observatoire centralisera des données de plusieurs réseaux sismiques de l’IPGP mais
aussi du SRC couvrant ainsi une large partie des Petites Antilles.
59
Figure 28 : projet IPGP de mise en place de stations de surveillance large-bande temps-réel en
Guadeloupe.
3.2.5.
Centre de contrôle
Il n’y a pas actuellement en Guadeloupe et Martinique de centre de contrôle
opérationnel assurant les 3 tâches principales d’un centre de contrôle :
-
réception en temps réel des données numériques de toutes les stations du
réseau d’alerte ;
-
gestion du système de traitement automatisé des données et de détection des
évènements sismiques ;
-
déclenchement de l’alerte et sa transmission immédiate aux autorités.
Les observatoires OVSG et OVSM n’ont pas de système de traitement automatisé des
données allant jusqu’à la localisation et l’estimation de la magnitude en temps réel ni
de présence permanente au centre. En cas de séismes, un délai de plusieurs dizaines
de minutes est nécessaire pour disposer d’une information fiable à transmettre sur la
localisation et la magnitude.
Dans le cas de l’alerte Tsunami de la Caraïbe, c’est le Centre Sismologique de PortoRico qui joue, pour l’instant, le rôle de centre de contrôle, en liaison avec le centre
d’alerte du pacifique à Hawaï. Les stations Large Bande que l’IPGP met en place
transmettent en temps-réel au centre d’alerte et à l’OVSG. En cas d’alerte Tsunami, le
centre de contrôle transmet l’information à Météo France en Guadeloupe et Martinique.
60
Cet organisme disposant d’une permanence 7j/7 24h/24 est en mesure de transmettre
immédiatement l’information aux autorités locales.
La modernisation en cours du réseau de surveillance de l’OVSG lui permet d’avoir les
moyens techniques d’assurer en partie la première tâche du centre de contrôle. Il a
également l’avantage de pouvoir réceptionner un grand nombre de stations de l’arc
Antillais comprenant ses propres stations, le réseau accélérométrique RAP et certaines
stations du SRC.
3.3. SIMULATIONS DE DELAIS D’ALERTE
L’étude de la faisabilité d’un système d’alerte sismique précoce suppose de pouvoir
réaliser une évaluation des délais d’alerte attendus au niveau de la zone considérée.
Ce délai conditionne en effet l’efficacité même du système. Dans cet objectif, nous
procédons dans ce chapitre à la réalisation de simulations de délais d’alerte.
Cette analyse repose sur l’hypothèse que les principales caractéristiques du séisme
nécessaires à l’émission de l’alerte peuvent être déterminées de manière satisfaisante
en utilisant l’une des méthodes existantes (cf. paragraphe 2). Elle n’est pas basée sur
des tests sur signaux réels, et ne permet donc en aucun cas de tirer des conclusions
quant au choix de la méthode de traitement des données la plus adaptée au contexte
antillais. En revanche, cet exercice permet, pour différents types de séismes, de fixer
des ordres de grandeurs des délais d’alerte attendus aux Antilles, offrant ainsi une
base de réflexion pour la question de l’opportunité d’un tel système dans la zone.
3.3.1.
Hypothèses
Dans le cas des Antilles, où les sources sismiques potentielles sont multiples (tant en
terme de localisation que de typologie), il convient de considérer plusieurs
configurations représentatives de l’aléa sismique local. Nous retiendrons donc par la
suite quatre séismes « type » :
•
Domaine intraplaque :
-
séisme de scénario A. : séisme des Saintes du 21 novembre 2004
lat = 15.75 N
M = 6.3
•
Subduction interface :
-
•
long = 61.54O
z = 14 km
séisme de scénario B.
lat = 16.16 N
M = 8.2
long = 60.87O
z = 30 km
Subduction profonde :
-
séisme de scénario C. : séisme du 29 novembre 2007
61
lat = 14.95 N
M = 7.4
-
long = 61.22O
z = 141 km
séisme de scénario D. : subduction Guadeloupe
lat = 16.10 N
M = 7.4
long = 61.47O
z = 100 km
Outre le choix des séismes de scénario, l’estimation des délais d’alerte a également
une grande dépendance en l’architecture du système mis en place (localisation des
stations, mode de traitement des données et de transmission de l’alerte). Pour être
efficace, un système d’alerte doit donc minimiser chacune des composantes du temps
d’alerte (Figure 29).
Figure 29 : Différentes composantes du temps d’alerte.
Idéalement, un EWS régional doit disposer de stations à l’épicentre pour réduire le
temps de propagation des ondes P à la station au minimum (∆tdétection = ε), et d’un
système de diffusion de l’alerte très rapide (∆ttransmission ≈ 0). Concernant le temps
nécessaire à l’analyse, celui-ci doit être réduit au minimum en tenant compte des
exigences relatives à la fiabilité du système (cf. chapitre 2.4.2).
•
Système basé sur le réseau existant :
Nous nous proposons dans un premier temps, de simuler les délais d’alerte
susceptibles d’être obtenus en utilisant un EWS basé sur les réseaux de surveillance
sismique déjà existants.
Pour cela, nous supposons que la procédure utilisée par Allen pour l’estimation des
délais d’alerte en Californie (Allen, 2007) est adaptée au contexte antillais. Aussi, nous
considèrons que l’alerte est émise lorsque 4s d’enregistrement des ondes P sont
disponibles en 4 stations (dans le cas de la Californie, cela correspond à une erreur sur
l’estimation de la magnitude de ±0.5 environ). Cette période d’analyse de 4s peut en
effet être considérée comme une valeur intermédiaire raisonnable pour un système
d’alerte sismique précoce.
62
Par ailleurs, et pour toutes les simulations effectuées dans cette étude, nous
considérons une vitesse de propagation des ondes P de 8 km.s-1, ainsi qu’un rapport
VP/VS égal à 1.76 comme utilisé par le CDSA. La vitesse de transmission de l’alerte
sera supposée égale à la vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide (vitesse
de la lumière).
•
Système idéal :
Dans un second temps, nous proposons également de considérer un système « idéal »
basé sur :
-
Le déclenchement d’une alerte à partir de l’analyse des ondes P enregistrées
au niveau d’une unique station située à l’épicentre ;
-
Une analyse limitée aux 4 premières secondes des ondes P (Allen, 2007).
Concernant les vitesses de propagations des ondes sismiques et de l’alerte, nous
conservons les mêmes valeurs que celles employées dans le cas du système idéal.
Les délais d’alerte ainsi obtenus pourront être considérés comme les valeurs
maximales pouvant être théoriquement obtenues par un EWS. Elles permettront de
souligner les limites du principe d’EWS régional appliqué aux Antilles, et de juger de
l’utilité de densifier les réseaux existants de nouvelles stations d’acquisition.
3.3.2.
Résultats
Les résultats de ces simulations sont représentés sur la Figure 30, la Figure 31, la
Figure 32 et la Figure 33.
Pour les événements peu profonds correspondant aux séismes de scénario A
(« séisme des Saintes ») et B (« subduction interface »), nous notons l’existence d’une
zone d’ombre relativement large dans la région épicentrale. Si les séismes de type
« subduction interface » sont suffisamment éloignés des côtes pour que les îles ne
soient pas (ou peu) affectées par la zone d’ombre (Figure 31), il apparaît très
clairement que dans le cas d’un séisme intraplaque tel que celui des Saintes de 2004,
une partie importante des îles ne pourrait en aucun cas bénéficier d’une alerte (Figure
30).
En revanche, lorsque l’on considère les séismes de subduction profonde, la grande
profondeur des sources s’accompagne de la disparition du phénomène de zone
d’ombre, avec des « temps d’alerte épicentraux » de plusieurs secondes (Figure 32
et Figure 33).
En ce qui concerne l’influence de la localisation des stations utilisées, les simulations
soulignent que ce paramètre est d’autant plus important que les séismes ont lieu à
faible profondeur. En effet, le fait de disposer de stations au plus près possible de
l’épicentre est important dans le cas des séismes superficiels, car cela permet de
réduire d’une dizaine de kilomètres la zone d’ombre et d’augmenter en conséquence
les délais d’alerte d’une à deux secondes. A l’inverse, on observe pour les simulations
63
C (« 29 novembre 2007 ») et D (« subduction Guadeloupe »), que les courbes
obtenues pour un système basé sur le réseau existant sont très proches de celles d’un
système « idéal » (Figure 32 et Figure 33).
Figure 30 : Comparaison des délais d’alerte théoriques issus du système « idéal » (courbes
bleues) et du réseau de surveillance existant (courbes noires ) pour le séisme de scénario A
(domaine intraplaque - séisme des Saintes du 21 novembre 2004). La zone d’ombre est
représentée en « grisé », et les quatre stations existantes (sismomètres : losanges,
accéléromètres : triangles) ayant servi à déclencher l’alerte apparaissent en vert.
64
bleues) et du réseau de surveillance existant (courbes noires ) pour le séisme de scénario B
(subduction interface). La zone d’ombre est représentée en « grisé », et les quatre stations
existantes (sismomètres : losanges, accéléromètres : triangles) ayant servi à déclencher l’alerte
apparaissent en vert.
65
bleues) et du réseau de surveillance existant (courbes noires ) pour le séisme de scénario C
(subduction profonde - séisme du 29 novembre 2007). Les quatre stations existantes
apparaissent en vert. Le temps d’alerte épicentral est indiqué en noir à côté de l’épicentre pour
chacun des deux types de simulation (système idéal : valeur de gauche, et réseau existant :
valeur de droite).
66
bleues) et du réseau de surveillance existant (courbes noires ) pour le séisme de scénario D
(subduction profonde - « subduction Guadeloupe »). Les quatre stations existantes
apparaissent en vert. Le temps d’alerte épicentral est indiqué en noir à côté de l’épicentre pour
chacun des deux types de simulation (système idéal : valeur de gauche, et réseau existant :
valeur de droite).
67
3.3.3.
Quels délais pour quels dommages ?
De manière à juger de la pertinence d’un EWS pour les Antilles, il est important de
considérer les délais d’alerte obtenus par simulation au regard des dégâts engendrés
par les séismes. Les délais d’alerte importants se rencontrent à grande distance
épicentrale, dans des zones peu affectées par le séisme du fait de l’atténuation des
ondes sismiques avec la distance. Dès-lors, le principe d’EWS ne trouve sa justification
que dans une gamme restreinte de distances épicentrales où celles-ci sont
suffisamment importantes pour ne pas être recouvertes par la zone d’ombre, tout en
restant assez limitées pour que les dégâts observés justifient son usage. En deçà
d’une intensité de VI (correspondant à des dégâts légers), il est en effet légitime de
considérer le système d’alerte précoce comme inutile.
Pour les deux séismes de scénarios A et C qui correspondent à des séismes réels
(respectivement aux séismes du 21 novembre 2004 et du 29 novembre 2007), et pour
lesquels le Bureau Central Sismologique Français (BCSF) a établi des cartes
d’intensité macrosismique, il est donc possible de confronter les simulations de délais
d’alerte aux effets du séisme (cf. Figure 34 et Figure 35). En revanche, concernant les
séismes de scénarios « fictifs » B et D, nous ne pouvons pas nous baser sur des
intensités observées. Aussi, nous procédons à l’estimation des intensités engendrées
par chacun de ces séismes.
Le principe de l’estimation des intensités liées à un séisme est le suivant :
-
Utilisation d’une relation d’atténuation pour obtenir, à partir des caractéristiques
du séisme, une estimation des mouvements sismiques (ici le PGA) ;
-
Conversion du PGA en intensité macrosismique à l’aide de correspondances
empiriques entre les deux paramètres (tableau de l’OVSG présenté au chapitre
3.1.2).
Concernant le choix de la relation d’atténuation, nous avons retenu le modèle
d’Youngs et al. (1997), classiquement utilisé dans les contextes de subduction. Ce
modèle, dont le domaine de validité en magnitude est compris entre Mw = 5 et
Mw = 8.2, utilise deux relations distinctes pour les séismes interplaque et intraplaque
plongeante. Par ailleurs, le modèle permet également de réaliser une estimation des
mouvements sismiques attendus pour des sites non situés au rocher.
Pour cette évaluation, nous avons supposé des sources ponctuelles permettant
d’assimiler la distance focale avec la distance à la rupture considérée dans le modèle
d’Youngs et al. (1997). La comparaison des intensités ainsi obtenues avec la
simulation des délais d’alerte est représentée, pour les séismes de scénario B et D,
respectivement sur la Figure 36 et la Figure 37.
68
Figure 34 : Superposition de la carte macrosismique (BCSF, 2005) et des délais d’alerte
simulés pour le séisme des Saintes du 21 novembre 2004 (séisme de scénario A).
69
Figure 35 : Superposition de la carte macrosismique (BCSF, 2007) et des délais d’alerte
simulés pour le séisme du 29 novembre 2007 (séisme de scénario C)
70
Intensité MSK (Youngs et al., 1997)
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Distance épicentrale (km)
160
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Figure 36 : En haut : comparaison entre l’estimation des intensités macrosismiques et les délais
d’alerte simulés pour le séisme de scénario B « subduction interface ». Simulations (Youngs et
al., 1997) au rocher (1) et sur sol mou (2). En bas : représentation schématique en fonction de
la distance épicentrale.
71
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Distance épicentrale (km)
160
200
Figure 37 : En haut : comparaison entre l’estimation des intensités macrosismiques et les délais
d’alerte simulés pour le séisme de scénario D « subduction Guadeloupe ». Simulations (Youngs
et al., 1997) au rocher (1) et sur sol mou (2). En bas : représentation schématique en fonction
de la distance épicentrale.
Séisme de scénario A « séisme des Saintes » :
Dans le cas du séisme des Saintes du 21 novembre 2004 (Figure 34), il apparaît que
l’usage d’un EWS n’aurait en aucun cas permis de fournir d’alerte précoce pour les
zones ayant enregistré des dégâts importants (intensité VIII selon l’EMS-98). Même s’il
72
n’est pas possible de tracer d’isoséistes du fait du caractère insulaire des territoires
affectés, il est clair que la zone d’ombre couvrirait à minima les zones d’intensité
supérieure à VI-VII, et que les zones ayant subi des dégâts légers (intensité de VI) ne
disposeraient dans le meilleur des cas que de délais d’alerte de 5 s environ.
Séisme de scénario B « subduction interface » :
Le séisme de scénario B présente une zone d’ombre qui recouvre les zones
d’intensité VIII (rocher - « r ») à IX (site - « s »), et des délais d’alerte de 10 s environ
pour des intensités allant de VII (r) à VIII (s). Il est également intéressant de remarquer
que la Martinique bénéficie de délais d’alerte supérieurs à 20 s pour des intensités de
l’ordre de VI à VII (Figure 36).
Séisme de scénario C « 29 novembre 2007 » :
Il est difficile de réaliser une analyse à partir des données macrosismiques recueillies
lors du séisme du 29 novembre 2007, tant le caractère « destructeur » de cet
événement est singulier. Ainsi, la répartition des dommages observés ne présente
aucun signe de décroissance clair en fonction de la distance à la source. Néanmoins,
compte-tenu de la grande profondeur de ce séisme, un EWS aurait théoriquement pu
fournir des délais d’alerte d’une dizaine de secondes pour l’ensemble de l’île, pour des
intensités observées variant entre V et VI-VII (Figure 35).
Séisme de scénario D « subduction Guadeloupe » :
Logiquement, un séisme comparable au séisme de scénario C survenant au niveau de
la Guadeloupe tel que le séisme de scénario D, pourrait être précédé d’une alerte de
plusieurs secondes, et ce même pour la zone épicentrale pour laquelle l’intensité
attendue varie entre VI-VII et VII-VIII (Figure 37).
3.4. VALORISATION D’UN SYSTEME D’ALERTE ANTILLAIS
Comme nous venons de le montrer dans le paragraphe précédent, la mise en place
d’un système d’alerte sismique précoce aux Antilles devrait permettre de fournir,
tout du moins dans certains cas, des alertes de plusieurs secondes à des zones
pouvant subir des dommages. Il convient donc de se questionner sur la manière dont
mettre à profit ces délais d’alerte pour réduire l’impact des séismes sur les
départements d’Outre-mer de la Martinique et de la Guadeloupe.
Si les actions les plus efficaces sont, d’expérience, les actions automatiques de mise
en sécurité (cf. chapitre 2.4.3), le contexte antillais en limite cependant le champ
d’utilisation. En effet, la région ne dispose pas d’installations telles que des centrales
nucléaires, des lignes ferroviaires à grande vitesse ou d’autoroutes qui constituent les
enjeux types justifiant généralement l’usage d’EWS. Ce type d’action peut néanmoins
être envisagé pour les installations de stockage d’hydrocarbures et pour le réseau de
distribution du gaz, ainsi que pour certains ouvrages comme les installations
portuaires, aéroportuaires et voies de communication.
73
Concernant les mesures semi-automatiques, on peut retenir la possibilité de prévenir
les aéroports du Lamentin (Martinique) et de Pointe-à-Pitre (Guadeloupe), ainsi que les
hôpitaux disposant de blocs opératoires pour cesser leurs activités.
Il est important de souligner que le principal danger en cas de séisme pour les Antilles,
outre les inévitables dégâts aux constructions, est le risque de pertes humaines :
risque aggravé par la forte vulnérabilité du bâti antillais. Les alertes à la population sont
donc une des mesures potentiellement à même de réduire significativement l’impact
des séismes dans la région. Ces alertes publiques nécessitent des délais d’alerte d’au
moins quelques secondes pour que les personnes aient le temps d’agir en
conséquence. Les simulations pour les Antilles du paragraphe précédant montrent que
dans certains cas, il n’y a pas d’alerte possible (séismes trop proches) et dans d’autres
cas (subduction profonde ou distances proches de la zone d’ombre) l’alerte ne sera
effective qu’après l’arrivée des ondes P et donc après le ressenti des premières
secousses. Si une alerte publique est mise en place, il est important de signaler aux
populations qu’elle ne pourra pas avertir de l’occurrence d’un séisme dans tous les
cas.
3.5. QUELQUES ESTIMATIONS DE COUTS D’EQUIPEMENT
Le coût global d’installation d’une station sismique large bande et accélérométrique
avec transmission satellite VSAT pour le réseau de surveillance Tsunami aux Antilles
est donné à titre indicatif dans le Tableau 3 ci-dessous (d’après devis IPGP) :
Poste de dépense
k€ TTC
Capteur large bande
12.0
Capteur accélérométrique
Station
et
Nanometrix
transmission
Radome de protection
2.8
Libra
Vsat
26.6
33.6
Centrale solaire
8.5
Infrastructure station
28
Taxes et frais transitaires
Total
6
116.5
Tableau 3 : Coûts détaillés d’une station de surveillance Tsunami aux Antilles (données IPGP).
En 2007-2008, dans le cadre du Contrat de Plan Etat –Région de Guadeloupe, l’IPGP
prévoyait un budget de 640 k€ pour l’achat et la mise en place de deux stations, l’achat
et l’installation de la station de réception satellite et des équipements informatiques
nécessaires à la réception des données en continu.
74
Le coût d’extension de la station de réception satellite Nanometrics pour un passage
de 12 stations reçues à 24 est estimé à 45 k€.
La mise en service de stations transférant les données en continu via une ligne ADSL
nécessite :
-
un boitier d’acquisition numérique et de transmission de type Kephren de
Agecodagis (cf. www.agecodagis.com/WebData/Pdf/KephrenPresentation.pdf coût de l’ordre de 6 k€ HT par station) ;
-
un abonnement ADSL (coût d’environ 50 €/mois par station).
Nous ne disposons pas de chiffrage pour les équipements de type station sous-marine
(OBS) reliée à une bouée où à un câble sous-marin. Cependant, les coûts de tels
dispositifs sont plus élevés que ceux d’une station terrestre car en plus d’équipements
spécifiques supplémentaires, il faut prendre en compte le coût important des missions
d’installation par bateau.
75
4. Conclusions
4.1. BILAN SUR LES SYSTEMES D’ALERTE PRECOCES (EWS)
Les EWS sont généralement organisés de la manière suivante :
· système de détection : réseau de stations sismiques capables de détecter
automatiquement l’occurrence de séismes, et éventuellement d’effectuer un prétraitement des données ;
· système de communication : liaisons rapides et sécurisées (liaison satellite,
radio, téléphone…) permettant de rapatrier les enregistrements au centre de
contrôle ;
· centre de contrôle : analyse (et traitement) automatique(s) des données en
temps réel et émission de l’alerte ;
· système de diffusion de l’alerte.
Les systèmes mis en place sont très dépendants du contexte sismique et de la position
des enjeux à protéger par rapport aux sources sismiques. Il est évident que plus le
réseau de détection est proche des sources et les enjeux éloignés de celles-ci, plus le
système d’alerte fournit des résultats fiables et des temps d’alerte importants. Au
contraire, il n’y a pas d’alerte possible pour des séismes proches (moins de 30-40 km).
Les délais de réactions sont dans la plupart des cas très courts (quelques secondes) et
ne permettent que des actions automatiques ou semi-automatiques. Aussi, l’utilisation
des EWS à des fins d’alertes aux populations est limitée par les délais (le plus souvent
trop courts pour que les personnes puissent se mettre en sécurité), ainsi que par la
fiabilité de l’alerte, les fausses alertes pouvant décrédibiliser le système.
Il existe finalement peu de systèmes d’alerte véritablement opérationnels tels l’EWS
japonais. Celui de Mexico est très spécifique car les sources sismiques sont très
éloignées. Le système UrEDAS au Japon n’est utilisé que pour des actions
automatisées (arrêt des trains et métros) et n’est que de portée locale (tests en cours à
l’échelle régionale). D’autres systèmes se mettent en place mais ne sont encore
qu’expérimentaux avec peu de recul pour avoir un bilan de fonctionnement (ElarmS en
Californie…)
Les équipements nécessaires aux systèmes d’alerte (moyens informatiques, systèmes
de communications temps réel) évoluent très rapidement et on peut s’attendre à des
améliorations de ces systèmes d’alerte à très court terme. Si actuellement cette
technologie est bien adaptée pour la mise en place de réseaux d’alertes Tsunami et de
systèmes de réponse rapide (Shakemaps, estimations de dommages) du fait de délais
de réactions se comptant en minutes, son application pour des systèmes d’alerte
sismique précoce est encore difficile.
77
Enfin les coûts de mise en place et de gestion de ces systèmes d’alerte sont élevés. Ils
ne sont actuellement mis en place que dans des zones à très forts risques sismiques
et à forts enjeux (en termes de population et d’activité économique).
4.2. BILAN ANTILLES
De manière générale, il ressort de l’analyse issue de la comparaison entre délais
d’alerte et intensités macrosismiques, que l’efficacité d’un système d’alerte sismique
précoce en termes de délais d’alerte, dépendrait en grande partie aux Antilles des
sources sismiques mises en jeu.
Dans le cas de séismes superficiels proches tels que l’événement des Saintes du 21
novembre 2004, les zones de dégâts importants seraient vraisemblablement
recouvertes par la zone d’ombre. L’atténuation des intensités avec la distance
épicentrale étant relativement importante pour ce type de séisme, des délais d’alerte
de plusieurs secondes ne pourraient être obtenus que pour des intensités moindres.
Les séismes de subduction sont plus favorables à l’utilisation d’un tel système. Ceci
provient du positionnement des îles de la Martinique et de la Guadeloupe par rapport à
la plaque plongeante, qui leur assure une distance moyenne aux sources sismiques de
subduction relativement importante. De ce fait, le phénomène de zone d’ombre
devient limité pour la subduction (voire inexistant), et n’affecte que peu le territoire de
ces îles. Dans ce cas, la diffusion d’une alerte précoce semble possible.
Concernant les résultats des simulations effectuées dans la présente étude, il faut
souligner que les hypothèses utilisées sont très favorables (temps nécessaire à
l’analyse très limité, vitesse de transmission de l’alerte à la vitesse de la lumière, pas
de restriction quant à la localisation relative des stations de mesure servant à
l’élaboration de l’alerte). Aussi, les résultats ainsi obtenus doivent-ils être considérés à
titre indicatif uniquement. Dans les exemples de réseaux en place, les fenêtres
d’analyse courtes (4 à 5 s dans le cas des simulations effectuées dans le cadre de
cette étude) impliquent plus d’approximations dans les estimations de magnitudes et
de localisation. Les fausses alertes sont plus nombreuses qu’avec des fenêtres
d’analyse plus longues. Or, la fiabilité d’un EWS est un élément majeur de son
efficacité, et ce particulièrement pour les alertes publiques; la population étant d’autant
plus réactive à une alerte qu’elle est convaincue de la fiabilité du système.
La mise en place d’un réseau d’alerte sismique précoce aux Petites Antilles est
techniquement envisageable compte tenu des avancées technologiques de ces
dernières années. Cela nécessite cependant une modernisation des réseaux de
surveillance existants et la mise en place de systèmes d’acquisition numérique temps
réel. La restructuration en cours des réseaux de surveillance de l’IPGP et du SRC
s’effectue dans ce sens, mais le nombre de stations temps réel est encore trop limité
dans la région. Le contexte océanique complique la densification des réseaux et le
rapprochement des stations des sources sismiques. L’installation d’OBS permanents
en mer améliorerait le délai d’alerte de quelques secondes seulement. Les stations
reliées par câbles sous marins sont très couteuses à mettre en place. Les stations
reliées à des bouées restent encore dans le domaine expérimental.
78
A ce réseau d’alerte sismique doivent être associées des actions de mise en sécurité.
Les délais courts impliquent nécessairement des actions automatiques ou semiautomatiques. Certaines actions (fermeture de réseau de distribution de gaz, mise en
sécurité de certaines installations industrielles) peuvent se faire par l’installation
d’accéléromètres sur les installations et des coupures automatiques au-delà d’un
certain seuil d’accélération sans passer par un système « lourd » de centre d’alerte.
Des dispositifs d’alerte du public comme au Japon (dans les écoles, hôpitaux,
installations aéroportuaires) peuvent être envisagés. Mais il faut tenir compte du fait
que l’alerte ne sera pas possible pour des séismes proches intraplaques et que les
fausses alertes restent nombreuses quand les délais d’analyse doivent être courts
comme c’est le cas pour la Guadeloupe et la Martinique.
79
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85
Annexe 1
Glossaire5
Délai d’alerte : C’est le temps qui sépare la diffusion de l’alerte de l’arrivée des ondes
destructrices en un lieu donné (on considère généralement l’arrivée des
ondes S). Considérer les ondes S est néanmoins pénalisant car en réalité,
pour les forts séismes les mouvements maximums arrivent quelques
secondes après les ondes S (à quelques dizaines de kilomètres de
l’épicentre).
Système d’alerte sismique précoce (Early Warning System - EWS) : Système
permettant d’émettre une alerte dès les premiers instants suivant un
séisme, quelques secondes avant l’arrivée des ondes S.
Système de réponse rapide (Rapid Response Systeme - RRS) : Système
permettant d’estimer les « dommages » quelques minutes après la
survenue d’un séisme (shake-maps, cartes d’intensités, de dommages…).
Il constitue un outil important de la gestion de crise sismique.
Temps d’alerte : Instant à partir duquel l’alerte est diffusée et disponible.
Temps-réel : Désigne la capacité de disposer des données dès leur acquisition. De
fait, la notion de « temps-réel » est intimement liée à celle de mesures
automatiques de rapatriement des données au fur et à mesure de leur
acquisition. Elle ne doit pas être confondue avec la notion
« d’enregistrement continu » des données, puisque celles-ci peuvent être
stockées et ne pas être disponibles immédiatement. Par extension, le
terme « temps-réel » est également utilisé pour désigner l’analyse et
l’utilisation des données dans les secondes suivant leur acquisition.
Zone d’ombre : Zone située à proximité de l’épicentre et pour laquelle le temps
d’alerte est supérieur au temps mis par les ondes sismiques destructrices
pour arriver (délai d’alerte négatif ou nul).
5
Les termes définis dans le glossaire sont indiqués dans le corps du rapport par une police mise en
italique et en « gras ».
87
Centre scientifique et technique
Service Aménagement et Risques Naturels
3, avenue Claude-Guillemin
BP 6009 – 45060 Orléans Cedex 2 – France – Tél. : 02 38 64 34 34

Systèmes d`alerte sismique: principes et faisabilité

Transcription

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