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Ensismologie, lamagnitude est la représentationlogarithmique dumoment sismique, qui est lui-même une mesure de l'énergie libérée par unséisme et est déduite de l'amplitude de certainesondes sismiques à des distances spécifiques (mesure de l'amplitude sur unsismogramme de l'onde P, de l'S ou encore desondes de surface).
Plus le séisme libère d'énergie, plus la magnitude est élevée : un accroissement de magnitude de 1 correspond à une multiplication par 30 de l'énergie et par 10 de l'amplitude du mouvement[1].
Les médias emploient souvent les termes d'échelle de Richter ou d'échelle ouverte de Richter, mais ces termes sont impropres : l'échelle de Richter, stricto sensu, est une échelle locale, surtout adaptée aux tremblements de terrecaliforniens. Les magnitudes habituellement citées de nos jours sont en fait desmagnitudes de moment (notéesMw ouM)[2].
La magnitude et l'intensité (comme l'échelle de Mercalli) sont les mesures de deux grandeurs différentes. L'intensité est une mesure des dommages causés par un tremblement de terre, dépendant de la distance entre l'observateur et le séisme, alors que la magnitude mesure l'énergie émise et correspond théoriquement à une seule valeur (en pratique plusieurs valeurs de magnitude légèrement différentes peuvent être citées, selon les données à partir desquelles les calculs sont réalisés)[1]. Il existe bien des relations entre l'intensité maximale ressentie et la magnitude, mais elles dépendent beaucoup du contextegéologique local et ces relations servent essentiellement à estimer la magnitude destremblements de terre historiques (pour lesquels il n'y a pas eu de mesure de la magnitude).
On distingue plusieurs types de magnitudes[3] :
De nos jours, les magnitudes diffusées par les médias, en particulier en provenance de l'USGS (l'Institut d'études géologiques des États-Unis), sont des magnitudes du moment. L'emploi de l'expression « magnitude sur l'échelle de Richter » est impropre, notamment pour les séismes de large magnitude (supérieures à 6,5-7)[4].
La première estimation de la magnitude fut développée en1935[5] parCharles Francis Richter pour classer lessismogrammes enregistrés localement enCalifornie. À l'origine cette échelle est la mesure de l'amplitude enmicromètres sur unsismographe de typeWood-Anderson (en)[6] d'untremblement de terre se situant à 100 km. Cette mesure n'est fiable qu'à très courte distance et est maintenant appelée magnitude locale.
La magnitude dite de Richter est établie sur la mesure de l'amplitude maximale desondes sismiques sur unsismogramme. La magnitude est définie comme le logarithme décimal de cette valeur. Cette définition très générale montre bien le caractère empirique de cette mesure qui dépend d'une part du type desismomètre et d'autre part du type d'élaboration graphique utilisée pour la réalisation du sismogramme sur lequel se fait la mesure. Cette dernière est aussi très variable d'une station sismique à l'autre car la radiation sismique d'un séisme n'est pas homogène (voirmécanisme au foyer).
La définition originale donnée parRichter en1935, appelée désormais magnitude locale ouML, est uneéchelle logarithmique simple de la forme :où représente l'amplitude maximale mesurée sur le sismogramme, est une amplitude de référence correspondant à un séisme demagnitude 0 à 100 km, est ladistance épicentrale (km) et est une constante d’étalonnage. Outre l'inhomogénéité de cette équation, marquant encore plus son caractère empirique, les constantes d’étalonnage ( et c) rendent cette définition valable seulement localement. Par exemple, dans la définition originale où l’étalonnage est effectué sur des séismes modérés de laCalifornie du Sud enregistrés avec unsismographe de type Wood-Anderson, et.
L'échelle de Richter étant une mesure locale, une nouvelle magnitude appeléeMS ou magnitude des ondes de surface, est introduite en 1936[7].Beno Gutenberg etCharles Richter proposent ainsi une magnitude qui se base sur l'amplitude desondes de surface (en général l'onde de Rayleigh sur la composante verticale du sismogramme) pour des distances télésismiques (distance supérieure à 30°[8]) et pour une période de20 secondes (période naturelle des sismographes utilisés). Sa formulation s'apparente à la précédenteoù est l'amplitude mesurée, est la distance épicentrale exprimée en degré, et sont des constantes d’étalonnage. Cette mesure est toujours utilisée aujourd'hui. Cependant, outre son caractère empirique et le problème de saturation (voirci-dessous), elle a deux points faibles. Le premier est son inutilité pour les séismes profonds (profondeur supérieure à 100 km) qui ne génèrent pas d'ondes de surface. Le second problème vient du fait que les ondes de surface sont les derniers trains d'onde à arriver. Dans le cadre d'un réseau d'alerte, il est primordial de pouvoir estimer le plus rapidement possible la magnitude du séisme.
La magnitude des ondes de volume notémb (b pour « body waves ») est donc une mesure, introduite en1956[9], qui se fait sur le premier train d'onde P et permet une estimation rapide de l'importance du séisme. Sa formulation est dépendante de la période dominante du signal : où est l'amplitude maximale mesurée, est la distance épicentrale (toujours en degré) et est la profondeur hypocentrale. est une fonction d’étalonnage dépendant des deux précédents paramètres. En général la période dominante est autour d'une seconde, période minimum desondes P pour des distances télésismiques(). Une fois de plus, le problème de cette mesure est sa saturation rapide avec la magnitude.
D'autres magnitudes sont employées, surtout à l'échelle locale ou régionale. La magnitude de durée est souvent utilisée pour la microsismicité et s'obtient comme son nom l'indique en mesurant la durée en seconde du signal sur le sismogramme. Une littérature abondante existe sur les régressions entre ces différentes mesures afin d'essayer de créer des relations de passage de l'une à l'autre. Ceci est toujours un exercice difficile. La disparité de ces mesures, qu'elle soit due au type d'onde, au type de capteur et à safréquence propre, à la distance, au type de magnitude utilisé, explique assez facilement la grande variabilité de la mesure de la magnitude d'un séisme dans les heures qui suivent son occurrence.
Pour pallier les limitations des magnitudesmb etMS,Hiroo Kanamori et Thomas Hanks introduisent en 1977[10] et 1979[11] une nouvelle magnitude, lamagnitude de moment. Bien que moins immédiate à estimer, cette magnitude est directement reliée à une quantité physique, lemoment sismique, qui mesure l'énergie émise par le tremblement de terre. Cette magnitude a pour acronymeMw ouM. Elle est la plus employée de nos jours par les scientifiques.
Le principal problème de l'échelle de RichterML et des magnitudesmb etMS est celui de la saturation. Ce phénomène est associé à la période à laquelle s'effectue la mesure. Il est impératif que cette mesure soit faite à une période qui soit supérieure à la durée d'émission de la source sismique. Or pour les grands séismes, ce temps peut être très long. Le cas extrême est celui dutremblement de terre de Sumatra de 2004 où l'émission de la source a duré au moins600 secondes.
Si on considère :
alors une durée d'émission de 1 s correspond à unemagnitude 4,6 et une durée d'émission de 20 s correspond à unemagnitude 7,2. Donc toute mesure de magnitude avecmb (mesurée sur lesondes P) commence à être sous-estimée au-dessus d'unemagnitude 4,6 et il en va de même pourMS pour des séismes de magnitude supérieureà 7,2.
Ce problème de saturation a été mis en évidence durant l'estimation de la magnitude dutremblement de terre du Chili de 1960, magnitude dépassant 9,0. Lamagnitude de moment a donc été créée pour pallier cette difficulté. Cependant, l'estimation des très grandes magnitudes pose un problème. Leséisme de Sumatra de 2004 a mis aussi en difficulté les méthodes qui calculent le moment sismique et donc la magnitude. La durée de la source très longue oblige à considérer des signaux à très basses fréquences. Une estimation de la magnitude a été donc faite à partir dumode propre le plus grave de la terre (0S2 - période de 53,9 min)[12]. Cette estimation (moment sismique de 6,5 × 1022 N m correspondant à une magnitude de 9,15) a une incertitude d'unfacteur 2, due principalement à la complexité et à la dimension de la source sismique.
L'échelle étant lelogarithme d'une amplitude, elle est ouverte et sans limite supérieure ni inférieure (la magnitude des plus petits séismes peut être négative). Dans la pratique, les séismes demagnitude 9,0 sont exceptionnels et les effets des magnitudes supérieures ne sont plus décrits séparément. Le séisme le plus puissant mesuré, atteignant la valeur de 9,5, futcelui de 1960 au Chili.
| Description | Magnitude de moment | Effets | Fréquence moyenne à l'échelle du Globe |
|---|---|---|---|
| Micro | moins de 1,9 | Micro tremblement de terre, non ressenti. | 8 000 par jour |
| Très mineur | 2,0 à 2,9 | Généralement non ressenti mais détecté/enregistré. | 1 000 par jour |
| Mineur | 3,0 à 3,9 | Souvent ressenti sans causer de dommages. | 50 000 par an |
| Léger | 4,0 à 4,9 | Secousses notables d'objets à l'intérieur des maisons, bruits d'entrechoquement. Les dommages restent très légers. | 6 000 par an |
| Modéré | 5,0 à 5,9 | Peut causer des dommages significatifs à des édifices mal conçus dans des zones restreintes. Pas de dommages aux édifices bien construits. | 800 par an |
| Fort | 6,0 à 6,9 | Peut provoquer des dommages sérieux sur plusieurs dizaines de kilomètres. Seuls les édifices adaptés résistent près du centre. | 120 par an |
| Très fort | 7,0 à 7,9 | Peut provoquer des dommages sévères dans de vastes zones ; tous les édifices sont touchés près du centre. | 18 par an |
| Majeur | 8,0 à 8,9 | Peut causer des dommages très sévères dans des zones à des centaines de kilomètres à la ronde. Dommages majeurs sur tous les édifices, y compris à des dizaines de kilomètres du centre. | 1 par an |
| Dévastateur | 9,0 et plus | Dévaste des zones sur des centaines de kilomètres à la ronde. Dommages sur plus de 1 000 kilomètres à la ronde. | 1 à 5 par siècle |
Pour un site donné, la distribution des séismes suit uneloi de Gutenberg-Richter.
| Aléa naturel | |
|---|---|
| Aléa technologique | |
| Risque etaccident |
|
| Prévention | |
| Protection | |
| Crise | |
| Sciences reliées | |
Organismes publics en France : | |
