Mouvements sismiques forts dans les régions montagneuses et mouvements de terrain induits

EARTHQUAKE STRONG GROUND MOTION IN MOUNTAINOUS REGIONS AND INDUCED LANDSLIDES

• Auteur / Autrice : Aline Bou Nassif
• Direction : Pascal Lacroix, Emeline Maufroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble, Isère, France ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Chaljub
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Roux, Odin Marc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Cotton, Philippe Steer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Risques naturels

Sol, Mouvements du

Effet de site (sismologie)

Effets des séismes

Mots clés libres

Séismes

Effet de site topographique

Mouvements de terrain

Risques naturels

Dommages

Earthquakes

Topographic site effect

Earthquake-Induced landslides

Natural Hazards

Damages

Résumé

Après un séisme en zone de montagne, on observe fréquemment dans les zones proches de l'épicentre une grande variabilité dans la répartition spatiale des dommages, englobant à la fois les dommages structurels et les mouvements de terrain co-sismiques. Parmi d'autres facteurs, cette variabilité spatiale peut être en partie attribuée à l'amplification du mouvement sismique provoquée par la topographie. Bien que l'effet de la topographie ait été documenté depuis longtemps, il reste mal compris et est rarement considéré dans les normes de construction parasismique. Ma thèse est dédiée à la prédiction de l'amplification topographique du mouvement du sol à courte distance du séisme, et à l'étude de son impact sur les schémas de distribution spatiale des mouvements de terrain co-sismiques.Pour atteindre cet objectif, mon travail repose en premier lieu sur l'analyse par réseau neuronal de données synthétiques obtenues précédemment à partir de simulations 3D en différences finies de la propagation des ondes sismiques. Cette analyse vise à dériver un estimateur physique des effets de site topographique dans les zones proches de la source sismique. Ce proxy, que j’appelle i-FSC (illuminated Frequency Scaled Curvature), dépend de la longueur d'onde S, de la courbure de la surface topographique et d'un nouveau paramètre appelé « angle d'éclairage sismique normalisé », qui permet de quantifier l'exposition des pentes au champ d'onde sismique incident. Cet outil simple ne nécessite pas de ressources informatiques élevées ; il utilise seulement une carte numérique d'élévation de la surface et la position de la source sismique pour prédire les facteurs d'amplification en tout point de la surface topographique. Le proxy i-FSC permet d'explorer les variabilités dans l'amplification topographique des sites, causée par des sources sismiques proches. Cette avancée dans la prédiction de l'amplification topographique est particulièrement significative, car les zones les plus proches de la faille sont généralement les plus touchées pendant les séismes.Dans un second lieu, le proxy i-FSC est utilisé pour étudier la corrélation potentielle entre l'amplification topographique du mouvement sismique et la distribution spatiale des mouvements de terrain induits par des séismes tels que le séisme de Gorkha de 2015 (MW 7.8), le séisme de Kumamoto de 2016 (MW 7.1) et le séisme de Kaikōura de 2016 (MW 7.8). Les résultats montrent que les mouvements de terrain ont tendance à se localiser dans les zones amplifiées. Différents facteurs influençant le déclenchement des mouvements de terrain co-sismiques à différentes fréquences ont été identifiés. Aux basses fréquences, les mouvements de terrain ont tendance à se concentrer sur les pentes orientées en sens opposé à la source sismique (ayant des angles d'éclairage sismique plus élevés). À petite échelle spatiale, les localisations des mouvements de terrain correspondent aux zones d'amplification topographique à hautes fréquences, qui sont contrôlées par la courbure topographique. De plus, les mouvements de terrain ont tendance à se concentrer aux interfaces entre les pentes éclairées et non éclairées, ce qui peut indiquer des zones où la déformation de la pente est plus importante. Les résultats mettent également en évidence l'importance fondamentale de prendre en compte l'effet de l'amplification topographique, simplement dérivé par le proxy i-FSC, en conjonction avec d'autres facteurs classiques tels que la raideur des pentes, pour une meilleure compréhension des mécanismes complexes qui régissent la distribution spatiale des mouvements de terrain co-sismiques aux échelles locales et régionales.Les résultats de cette étude revêtent une grande importance, car ils pourraient orienter des recherches futures visant à élaborer des stratégies plus efficaces d'évaluation et de réduction des risques dans les régions montagneuses.

During an earthquake, a high degree of variability in damage distribution, encompassing both structural damage and co-seismic landslides, is commonly observed in mountainous regions near the seismic source. Among other factors, this spatial variability can be partly attributed to the amplification of seismic waves caused by surface topography. While this effect has long been documented, it remains poorly understood and is rarely incorporated into building specification codes. My thesis is dedicated to predicting the amplification of ground motion caused by surface topography in close distances to an earthquake, and studying its potential impact on co-seismic landslides distribution patterns.To achieve this goal, my work initially relies on neural network analysis of previously-available synthetic data obtained from 3D finite-differences simulations of seismic wave propagation. This analysis aims to derive a physics-based estimator of topographic site effects in close distances to the source. This proxy, which I refer to as the i-FSC proxy (illuminated Frequency Scaled Curvature), depends on the S-wavelength, the curvature of the topographic surface, and a new parameter called the “normalized seismic illumination angle” which quantifies the slope's exposure to the incoming wavefield. This user-friendly tool does not require high computational resources; it only uses a digital elevation map and the position of the seismic source to predict amplification factors at any point of the surface topography. The i-FSC allows exploring the variations in topographic amplification influenced by nearby seismic sources. This advancement is particularly significant as the areas closest to the fault are typically the ones most severely affected during earthquakes.Subsequently, the i-FSC proxy is employed to investigate the correlation between ground motion amplification and the spatial distribution of earthquake-induced landslides triggered by events such as the 2015 Gorkha earthquake (MW 7.8), the 2016 Kumamoto earthquake (MW 7.1), and the 2016 Kaikōura earthquake (MW 7.8). The results indicate that co-seismic landslides tend to be localized in amplified areas. Different controls on the landslide triggering at different frequencies have been identified. At lower frequencies, landslides tend to concentrate on slopes facing away from the seismic source (with higher seismic illumination angles). At smaller scales, the location of landslides mimics the amplification maps at higher frequencies, which are primarily influenced by surface topography curvature. Furthermore, landslides appear to also cluster at the interfaces between illuminated and non-illuminated slopes, which may indicate areas where slope deformation is the greatest. The results also highlight the crucial importance of considering the effect of topographic amplification, simply derived by the i-FSC proxy, together with other classic factors such as slope steepness, for a better understanding of the complex mechanisms governing the spatial distribution of earthquake-induced landslides at local and regional scales.The results of this study hold significant importance, as they could guide future research efforts aimed at developing more effective risk assessment and mitigation strategies in mountainous regions.