Macrosismologie

De nos jours la séismologie s’occupe principalement de l’acquisition de données numériques enregistrées par des sismomètres installés en réseau, ainsi que de la détection de tremblements de terre. Les séismes, cependant, se sont produits bien avant que l’ère instrumentale ne nous rende capable de les mesurer. L’impact, la profondeur et la magnitude des séismes pré-instrumentaux peuvent être estimés avec précision en collectant et cartographiant les témoignages des personnes ayant ressenti les secousses. Habituellement, l’on crédite le mathématicien allemand P.N.G. Egen d’avoir développé la première échelle moderne d’intensité en se basant sur la perception du séisme du 28 février 1828 de magnitude M_s ~4.6 qui frappa la région de Jauche en Belgique. Le travail de pionnier effectué par Nicholas Ambraseys dans les années 1970 démontra la grande valeur de l’étude des séismes historiques.

Depuis 1932, suite au séisme d'Uden (Pays-Bas) de magnitude M_L 4.7, dès qu’un séisme ressenti se produit, l’Observatoire Royal de Belgique envoie un questionnaire à chaque commune belge afin d’établir une carte d’intensité de la zone où le séisme a été ressenti. En fonction des réponses, une intensité sismique est donnée à chaque commune, ce qui donne une carte des intensités macroséismiques communales. Somville (1939) appliqua la méthode avec succès en Belgique suite au séisme de magnitude M_s 5.0 de Zulzeke-Nukerke qui frappa la région d’Audenarde le 11 juin 1938, et qui reste le tremblement de terre le plus important jamais enregistré par des instruments sur le territoire belge. Il est remarquable de noter que la zone des dégâts a une forme elliptique : dans la direction E-W les intensités macroséismiques VI et VII se retrouvent sur une zone s’étendant sur 160 km, tandis que dans la direction N-S, la zone ne s’étend que sur 50 km (Figure 1). Cette forme particulière a été déduite de l’étude statistique des chutes de cheminées.

L’étude des mouvements forts du sol générés par les séismes indique que la structure géologique locale d’un site, particulièrement la présence de couches sédimentaires peu consolidées, peut modifier la caractéristique des secousses sismiques en surface. Les dégâts en un lieu donné ne résultent donc pas seulement de la source sismique, mais sont aussi fonction du trajet, de la distance au foyer, et des amplifications potentielles causées par la géologie locale, l’effet de site. Ainsi, l’interprétation des cartes macroséismiques requiert une excellente compréhension de la géologie locale. En moyenne Belgique, le socle rocheux du Massif du Brabant s’étend à faible profondeur dans la direction E-W (ce massif est une ancienne formation rocheuse s’étendant de nos régions jusqu’à Londres); c’est ce qui a causé l’amplification locale des mouvements du sol lors du séisme de 1938 (Nguyen et al., 2004) et d’événements plus récents.

Le séisme de Roermond (NL) de magnitude M_L 5.8 s’est produit le 13 avril 1992 à 03h20 (temps local); c’est l’événement le plus important enregistré aux Pays-Bas et l’un des plus important en Europe du nord-ouest au XX^ème siècle. Les effets macroséismiques furent observés aux Pays-Bas, en Belgique, au Luxembourg, en Allemagne, en France, en République Tchèque, au Royaume-Uni, en Suisse et en Autriche. Des dommages substantiels aux constructions ont été rapportés dans la zone épicentrale. Des données macroséismiques ont été acquises par de nombreux instituts de plusieurs pays. L’ORB a participé à une collaboration internationale qui a résulté en une carte macroséismique transfrontalière (Haak et al., 1994).

Et Internet fut...

Depuis 2002, l’enquête épistolaire de l’ORB a été complétée par l’enquête macrosismique « l’Avez-Vous Ressenti ? » ( DYFI, ‘Did You Feel It?’), en ligne sur internet. Ce questionnaire est adapté du modèle du service géologique américain USGS, d’après le travail de pionnier de David Wald et ses collègues (Wald et al., 1999). Le questionnaire existe en 4 langues : français, néerlandais, anglais et allemand, afin de toucher le plus grand nombre. Les enquêtes DYFI permettent d’établir rapidement et automatiquement les cartes macrosismiques à partir desquelles les autorités et la population peuvent être rapidement informées au sujet de la distribution des dégâts et de la zone où le séisme a été ressenti. Cette information complète les enregistrements des stations sismiques, afin d’étudier les séismes et leur impact en Belgique. Dans notre système, les cartes macrosismiques sont rafraîchies en ligne toutes les 5 minutes (Lecocq et al., 2009).

En 2011, l’Université de Cologne (Erdbebenstation Bensberg BNS) a rejoint notre système d’enquête par internet. Depuis lors, les citoyens allemands peuvent faire part de leur expérience au réseau BNS et sur base des réponses, une carte macrosismique germano-belge est générée en temps réel. Cette collaboration macrosismique transfrontalière est unique dans le monde !

En 2014, nous avons développé notre propre algorithme pour géolocaliser au niveau de la rue ou mieux les adresses des réponses aux enquêtes. En effet, dans les cartes macrosismiques, la répartition des intensités est souvent inhomogène, en raison de la forme irrégulière des communes. Depuis 2015, les intensités liées aux lieux géocodés sont regroupées en cellules de mêmes tailles. A chaque cellule est assignée une intensité dans un environnement GIS. Cette représentation (Figure 5) permet de cartographier les effets ressentis du séisme d’une manière plus homogène que dans des cartes macrosismique officielle et. Comme la population ne donne pas systématiquement d’adresse, une telle carte sous forme de grille ne reprend généralement pas tous les rapports disponibles (~80 à 90% des données).

Depuis 2016, l’ORB collabora avec le Bureau Central Sismologique Français (BCSF, Université de Strasbourg). Les personnes qui résident en France et y ressentent un séisme peuvent soumettre leur expérience sur notre système en ligne, mais les données sont automatiquement transférées au BCF. Ceci permet une évaluation transfrontalière en direct, et renforce les capacités d’évaluation des effets des séismes des deux instituts.

Événements sismiques importants

Outre l’information du public et des autorités, les enquêtes “DYFI” sont à la base d’études scientifiques! Comme il n’est pas possible d’installer des sismomètres partout dans le pays, la perception humaine des séismes nous fournit un fort bon moyen de mesure pour quantifier les mouvements du sol. A part le réseau d’accéléromètres à bas coût AcceleROB, l’estimation des intensités “DYFI” constitue pour l’instant le seul outil pour fournir aux ingénieurs des estimation de la vitesse du sol dans des régions peu instrumentées. C’est la raison pour laquelle nous avons besoin de votre collaboration ! [Link to FAQ of Fabienne]. Les enquêtes macrosismiques permettent d’étudier la décroissance des intensités avec la distance à l’épicentre, et de comprendre dans quelle mesure la géologie régionale et les effets de site locaux influencent les mouvements du sol ressentis à la surface de la Terre.

Séisme du 22 juillet 2002 d’Alsdorf (DE, M_L 4.9)

L’événement d’Alsdorf , qui s’est produit en Allemagne le long d’une des failles normales du Graben du Rhin Inférieur, nous a donné l’occasion d’activer pour la première fois l’enquête macrosismique en ligne. En 2016, cela reste, et de loin, l’événement le plus fructueux, avec 6145 formulaires soumis sur le site Seismologie.be. A ce moment-là, les analyses d’intensités n’ont été effectuées qu’en Belgique, où la majorité des réponses venaient de Flandre. La plus forte intensité était de IV sur l’échelle EMS-98, sur une distance allant jusqu’à 45 km de l’épicentre. En Belgique, les intensités ont diminué vers l’ouest, et le séisme a été ressenti à une grande distance épicentrale par des personnes se trouvant à la côte ou dans les Ardennes. Les intensités ont diminué plus rapidement vers le nord et le nord-ouest que vers l’ouest et le sud-ouest.

La séquence sismique du Brabant-Wallon de 2008-2010

Entre 2008 et 2010, 237 séismes se sont produits au sud de la petite ville de Court-Saint-Etienne (province du Brabant Wallon, Belgique) (Van Noten et al., 2015a). Pendant deux ans, 60 des 237 événements mesurés ont été ressentis par la population, ce qui a fourni une base de données riche de 11040 réponses. De manière remarquable, même de petits événements peu profonds furent ressentis par la population locale. Par exemple, 5 réponses ont été encodées le 21 octobre 2008 suite au petit séisme de magnitude M_L 0.4. Le fait que ces réponses ont été soumises avant que des informations ne soient données sur notre site web montre que cet événement a réellement été perçu.

Le séisme du 13 juillet 2008 de magnitude M_L 3.2 a été le plus important de la séquence, et le plus largement ressenti (1495 réponses). Un témoignage montre que l’événement a été ressenti à 71 km à Bressoux (Liège), à l’est de l’épicentre, alors qu’au nord, le témoignage le plus éloigné ne se situait qu’à 42 km de l’épicentre, à Zemst. Le séisme n’a causé que des effets d’intensité III en zone épicentrale, ce qui est en accord avec la moyenne profondeur de 7.7 km. Malgré sa faible magnitude M_L = 2.8, le séisme du 3 mars 2009 (1581 réponses) et quelques autres ont causé des effets d’intensité IV en zone épicentrale, en raison d’une profondeur moindre du foyer, à 6.3 km sous la surface (Van Noten et al., 2015b; Consentino, 2016).

En raison de la relativement faible profondeur du foyer des séismes et la présence de témoins près de l’épicentre, beaucoup de séisme de faible magnitude ont été entendu, plutôt que ressentis. Typiquement, les gens nous ont rapporté ces effets acoustiques en mentionnant un ‘boum’ ou un ‘grondement’ profond, comparable au ‘tonnerre’ ou à un ‘camion au passage’. Cependant, on a également des témoignages d bruits à plus haute fréquence, tels un ‘craquement’ bruyant ou un ‘bang’. Sur base de ces commentaires, notre enquête en ligne a été complétée en 2009 avec une question concernant les effets sonores : l’échelle des sons s’étend actuellement de 0 à 4, avec 0 pour « aucun son », 1 « léger et bref », 2 « léger et prolongé », 3 « fort et bref », 4 « fort et prolongé ». Ceci permet de quantifier le contenu fréquentiel du bruit perçu.

Séisme de Goch (DE) du 8 septembre 2011, magnitude M_L 4.3

Le 8 septembre 2011 à 19:02:50, un séisme de magnitude M_L 4.3 s’est produit à Goch (DE) à la profondeur de 10 km, sur l‘une des failles bordières du Graben de Venlo. Des dégâts mineurs ont été rapportés dans la zone épicentrale en Allemagne et aux Pays-Bas. 3113 réponses ont été soumises pour cet événement, le premier à se produire après la fusion des systèmes d’enquête de l’ORB et de BNS.

Contrastant avec la partie nord-est de la Belgique, où le séisme fut à peine ressenti, beaucoup de rapports ont été soumis depuis la moyenne Belgique, à plus grande distance épicentrale. Ceci montre que la forme traditionnelle de la distribution des intensités ne peut s’expliquer par la seule atténuation géométrique des vibrations sismiques, qui décroissent simplement avec la distance. En moyenne Belgique, le Massif du Brabant affleure en surface, dans les vallées incisées par les rivières, et s’enfonce graduellement vers le nord du pays, où il est recouvert par des sédiments mous. La distribution macrosismique du séisme de Goch de 2011 illustre l’effet de la couverture sédimentaire du Massif du brabant sur l’étendue de la perception du séisme. Elle illustre également la forte influence des sédiments sur les mouvements forts du sol. Au nord du Brabant (provinces du Limbourg et d’Anvers), les vibrations sont atténuées en raison de l’épaisse couverture sédimentaire du Cénozoïque. En moyenne Belgique, la zone de perception du séisme est liée à une zone s’étirant d’est en ouest, où la couverture sédimentaire Cénozoïque est telle qu’elle amplifie les ondes sismiques dont les fréquences sont susceptibles de faire bouger les bâtiments et d’être perçues par les humains.

Séisme de Ramsgate (UK) du 22 mai 2015 de magnitude M_L 4.2

Le vendredi 22 mai 2015 à 03:52:17 (temps local), un séisme de magnitude M_L 4.2 s’est produit près de Ramsgate (UK) à une profondeur de 15 km. Les enquêtes macrosismiques ont montré que le séisme fut ressenti au Royaume-Uni, en France et en Belgique. L’ORB a reçu 1986 réponses de personnes ayant ressenti le séisme en Belgique ; le rapport le plus éloigné provient de Liège, à plus de 400 km de l’épicentre. Comme pour les séismes de Goch de 2001 ou de Zulzeke-Nukerke de 1938, la faible profondeur du Massif du Brabant en moyenne Belgique est la raison principale pour laquelle l’événement fut si largement ressenti.

Articles de la presse belge sur le séisme de Ramsgate:

• "Ook België beefde even vannacht", De Standaard Avond. 22/05/2015.
• "Aardbeving Kent voelbaar tot in België", Het Laatste Nieuws. 23/05/2015.
• "1.000 mensen voelen aardbeving in België", Het Nieuwsblad. 23/05/2015.
• "Aardbevingen in België: zelden gevaarlijk maar vaker dan je denkt", De Morgen 23/05/2015.

Événements humains déclenchant le DYFI

Bangs supersoniques de F16

Lorsque des “bangs” sonores nous sont rapportés, certains sont liés au passage du mur du son de F16, avions militaires les plus fréquemment utilisés en Belgique et alentours. La localisation peut être estimée d’enregistrements de nos stations sismiques et habituellement confirmée par les personnes qui rapportent l’événement sur notre système en ligne DYFI. Ce fut par exemple le cas au-dessus de Liège le 8 février 2013 (5 témoignages) et au-dessus du Brabant Wallon le 17 août 2015 (11 témoignages).

Explosions liées à des travaux ou des accidents

42 personnes ont répondu à notre enquête suite à l’explosion contrôlée visant à démolir un bâtiment le 18 février 2011 à 14:21:20 (temps local) dans le quartier européen à Bruxelles.

Le 3 janvier 2014 à 13:26:22 (temps local), une explosion accidentelle eut lieu près de la ville allemande d’Euskirchen. Parmi les 301 enquêtes, 235 observations furent géocodées au niveau de la rue, si pas plus précisément, sur base des adresses données dans les témoignages. La distribution des observations macroséismiques individuelles s’est avérée bien plus adaptée pour interpréter les intensités que ce ne l’aurait été si les intensités avaient été regroupées par communes. Toutes les réponses ont été envoyées depuis le nord-est de l’explosion, Hinzen (2014) conclut que cette forte directivité de cet événement ressenti était liée à la directivité de la source, à la densité de population, à la vitesse du vent et à la topographie.

Le dimanche 28 février 2016 à 21:36:51 (temps local), l’explosion contrôlée liée à un chantier de construction à Anvers fit croire à la population qu’un séisme s’était produit. Le système Seismologie.be a été mis en alerte en raison du nombre anormalement élevé de visiteurs sur le site web et le compte Twitter. Une analyse rapide des données sismiques pu confirmer l’absence de tremblement de terre ; cette information a été promptement relayée sur les comptes Twitter et Facebook. 54 personnes ont témoigné de leur ressenti sur Seismologie.be. La distribution des témoignages montrent que cet événement a été ressenti/entendu vers le sud-ouest, en raison du vent du nord-est qui soufflait ce soir-là.

Collaborations

• Erdbebenstation Bensberg – Allemagne
• Le Bureau Central Sismologique Français – France
• KNMI – Pays-Bas
• BGS - Royaume-Uni
• USGS - USA

Dans les médias, formations

• En 2016, le système DYFI de l’ORB-BNS était à l’honneur à l’EGU (European Geoscience Union). Lisez l’interview au sujet de la macroséismologie transfrontalière avec Koen Van Noten sur Geolog, le blog officiel de l’EGU.
• En 2016, Bruno C. Consentino, étudiant brésilien de l’université de São Paulo, a analysé les données macroséismique et soniques de l’essaim de 2008-2010 au court de son année Erasmus à la KULeuven (Ba Thesis). Promoteurs: K. Van Noten (ORB), M. Sintubin (KULeuven).

References

• Camelbeeck, T., Van Camp, M., Martin, H., Van De Putte, W., Béatse, H., Bukasa, B., Castelein, S., Collin, F., Hendrickx, M., El Bouch, A., Petermans, T., Snissaert, M., Vanneste, K., Verbeiren, R., 2003. De aardbeving van 22 juli 2002 in de Roerdalslenk. Heelal 48, 172-176.
• Consentino, B.C., 2016. Macroseismic intensity assessment of the 2008-2010 Walloon Brabant seismic swarm by a grid cell procedure, Katholieke Universiteit Leuven. B.Sc. Thesis. Promotors: K. Van Noten (ROB), M. Sintubin (KULeuven).
• Egen, P.N.C., 1828. Über das Erdbeben in den Rhein- und Niederlanden von 23 Feb. 1828. Annalen der Physik und der physikalischen Chemie 13, 153–163.
• Haak, H.W., van Bodegraven, J.A., Sleeman, R., Verbeiren, R., Ahorner, L., Meidow, H., Grünthal, G., Hoangtrong, P., Musson, R.M.W., Henni, P., Schenkova, Z., Zimova, R., 1994. The macroseismic map of the 1992 Roermond earthquake, the Netherlands. Geologie en Mijnbouw 73, 265-270.
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• Lecocq, T., Rapagnani, G., Martin, H., De Vos, F., Hendrickx, M., Van Camp, M., Vanneste, K., Camelbeeck, T., 2009. B-FEARS: The Belgian Felt Earthquake Alert and Report System. Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie.
• Nguyen, F., Van Rompaey, G., Teerlynck, H., Van Camp, M., Jongmans, D., Camelbeeck, T., 2004. Use of microtremor measurement for assessing site effects in Northern Belgium – interpretation of the observed intensity during the MS = 5.0 June 11 1938 earthquake. Journal of Seismology 8(1), 41-56.
• Somville, O., 1939. Le tremblement de terre belge du 11 juin 1938. Publication de l’Observatoire Royal de Belgique, Imprimerie Duculot, Gembloux, 16 pp.
• Van Noten, K., Lecocq, T., Shah, A.K., Camelbeeck, T., 2015a. Seismotectonic significance of the 2008-2010 Walloon Brabant seismic swarm in the Brabant Massif (Belgium). Tectonophysics 656, 20-38. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.tecto.2015.05.026
• Van Noten, K., Lecocq, T., Camelbeeck, T., 2015b. The seismic activity in the Walloon Brabant and its relationship with the local and regional geological structure. Final report of BELSPO contract MO/33/028. Royal Observatory of Belgium. 79p.
• Van Noten, K., Lecocq, T., Sira, C., Hinzen, K.-G., and Camelbeeck, T. 2017. Path and site effects deduced from merged transfrontier internet macroseismic data of two recent M4 earthquakes in northwest Europe using a grid cell approach, Solid Earth, 8, 453-477, https://doi.org/10.5194/se-8-453-2017.
• Wald, D.J., Quitoriano, V., Dengler, L.A., Dewey, J.W., 1999. Utilization of the internet for rapid community intensity maps. Seismological Research Letters 70(6), 680- 697.