Les tremblements de terre peuvent être destructeurs pour les villes éloignées construites sur des bassins – nous savons maintenant pourquoi
Earthquakes can be destructive for distant cities built on top of basins – now we know why
Flat basins are favoured places to build cities. But seismic waves can get trapped in these basins, putting cities at risk from distant earthquakes.
Les bassins plats sont des endroits privilégiés pour construire des villes. Mais les ondes sismiques peuvent se piéger dans ces bassins, mettant les villes en danger lors de tremblements de terre éloignés.
Sedimentary basins – depressions in Earth’s crust caused by tectonic activity – tend to be flat and are favoured places to build cities. But during earthquakes, they can become natural resonance chambers.
Les bassins sédimentaires – dépressions de la croûte terrestre causées par une activité tectonique – ont tendance à être plats et sont des endroits privilégiés pour construire des villes. Mais pendant les tremblements de terre, ils peuvent devenir des chambres de résonance naturelles.
Just like sound waves echoing around an empty hall, this means seismic waves can get trapped in these basins and bounce from side to side to create “seismic echoes”.
Tout comme les ondes sonores qui font écho dans un hall vide, cela signifie que les ondes sismiques peuvent se piéger dans ces bassins et rebondir d’un côté à l’autre pour créer des « échos sismiques ».
Depending on the shape and depth of the basin, these echoes can become amplified and be highly destructive.
Selon la forme et la profondeur du bassin, ces échos peuvent s’amplifier et être très destructeurs.
New Zealand’s capital city Wellington is built on a sedimentary basin and is an example of this phenomenon.
La capitale de Nouvelle-Zélande, Wellington, est construite sur un bassin sédimentaire et en est un exemple.
In the 2016 magnitude 7.8 Kaikōura earthquake, Wellington’s central business district experienced shaking that exceeded design predictions. Even though the quake was located 80 kilometres from the city, it caused severe damage to infrastructure, with many multi-storey buildings damaged or destroyed.
Lors du séisme de magnitude 7,8 de Kaikōura en 2016, le centre d’affaires de Wellington a subi des secousses qui ont dépassé les prévisions de conception. Même si le tremblement de terre était situé à 80 kilomètres de la ville, il a causé de graves dommages aux infrastructures, avec de nombreux immeubles de plusieurs étages endommagés ou détruits.
Archival records also show that during the 1942 magnitude 7.3 Wairarapa quake, which was located about 80 kilometres north of Wellington, some 10,000 chimneys were destroyed in the city.
Les archives montrent également que lors du séisme de magnitude 7,3 de Wairarapa en 1942, situé à environ 80 kilomètres au nord de Wellington, environ 10 000 cheminées ont été détruites dans la ville.
Our new research provides an updated model for the central Wellington basin.
Notre nouvelle recherche fournit un modèle mis à jour pour le bassin central de Wellington.
We found it is almost twice as deep (about 500 metres) than previously thought and that its shape is significantly different from the previous model. These differences go some way toward explaining why the shaking was stronger than expected.
Nous avons découvert qu’il est presque deux fois plus profond (environ 500 mètres) que ce qui était précédemment pensé et que sa forme est significativement différente du modèle précédent. Ces différences contribuent en grande partie à expliquer pourquoi les secousses étaient plus fortes que prévu.
The deadliest example from history
L’exemple le plus meurtrier de l’histoire
Historically, the most devastating example of seismic echoes, or trapped waves, was the 1985 Mexico City earthquake, which killed 8,000 people and destroyed high-rise buildings.
Historiquement, l’exemple le plus dévastateur d’échos sismiques, ou ondes piégées, fut le tremblement de terre de Mexico en 1985, qui tua 8 000 personnes et détruisit des immeubles de grande hauteur.
The quake’s epicentre was 350 kilometres west of the city, but when waves of moderate amplitude arrived in the city, they became trapped in the low-wave-speed sediments of the basin on which it is built and became amplified.
L’épicentre du séisme était situé à 350 kilomètres à l’ouest de la ville, mais lorsque les ondes de faible amplitude sont arrivées dans la ville, elles se sont piégées dans les sédiments à vitesse d’onde réduite du bassin sur lequel elle est construite et se sont amplifiées.
As the waves bounced from side to side, they created a standing wave, similar to water waves in a bath.
Alors que les ondes rebondissaient de côté en côté, elles ont créé une onde stationnaire, similaire aux vagues d’eau dans un bain.
As a result, the city experienced specific narrow zones of extreme destruction, underscoring the risk from even very distant earthquakes for cities built on sedimentary basins.
En conséquence, la ville a subi des zones spécifiques et étroites de destruction extrême, soulignant le risque même des tremblements de terre très éloignés pour les villes construites sur des bassins sédimentaires.
Seismic echo chambers
Chambres d’écho sismiques
Seismic waves become trapped and amplified for two main reasons.
Les ondes sismiques se piègent et s’amplifient pour deux raisons principales.
First, as the waves move from a fast wave-speed medium (solid basement rocks) to the low wave-speed of sedimentary rocks, the amplitude of the waves will increase to compensate for the drop in wave speed.
Premièrement, lorsque les ondes passent d’un milieu à vitesse de propagation rapide (roches de socle solides) à la faible vitesse des roches sédimentaires, l’amplitude des ondes augmentera pour compenser la baisse de la vitesse des ondes.
This is similar to a tsunami wave that travels across the deep ocean with a small amplitude but high speed, and then, as it comes closer to shore in shallow water, slows down but dramatically increases in amplitude.
Cela est similaire à une vague de tsunami qui traverse l’océan profond avec une faible amplitude mais une grande vitesse, puis, en s’approchant du rivage dans des eaux peu profondes, elle ralentit mais augmente considérablement son amplitude.
This interchange between wave amplitude and speed is to do with the energy of the waves, which must remain constant.
Cet échange entre l’amplitude et la vitesse des ondes est lié à l’énergie des ondes, qui doit rester constante.
The second reason for the amplification of seismic waves in a basin is resonance – when the wavelengths of the incoming seismic waves are similar to either the vertical and horizontal dimensions of the basin.
La deuxième raison de l’amplification des ondes sismiques dans un bassin est la résonance – lorsque les longueurs d’onde des ondes sismiques entrantes sont similaires aux dimensions verticales et horizontales du bassin.
If the basin has steep sides, an edge effect is also generated where strong amplification can occur close to the edge of the basin due to a buildup of different wave types.
Si le bassin présente des côtés abrupts, un effet de bord est également généré où une forte amplification peut se produire près du bord du bassin en raison d’une accumulation de différents types d’ondes.
Perhaps the most surprising of our findings is the shape of the basin under Wellington. Its effective western edge is not the Wellington Fault, as previously assumed.
Le plus surprenant de nos résultats est peut-être la forme du bassin sous Wellington. Son bord ouest effectif n’est pas la faille de Wellington, comme supposé auparavant.
Instead, the edge cuts across the basin at a high angle to the Wellington fault and follows the line of two previously identified, low-activity faults – the Terrace and Lambton faults.
Au lieu de cela, le bord traverse le bassin selon un angle élevé par rapport à la faille de Wellington et suit la ligne de deux failles peu actives précédemment identifiées – les failles de Terrace et de Lambton.
These differences between the new and old basin models have significant impacts on the predicted shaking Wellington might expect. In particular, there will be an effect linked to the newly described edge, and the predicted amplification will be higher for a deeper basin.
Ces différences entre les anciens et nouveaux modèles de bassin ont des impacts significatifs sur les secousses que Wellington pourrait attendre. En particulier, il y aura un effet lié au bord nouvellement décrit, et l’amplification prévue sera plus élevée pour un bassin plus profond.
We used a 3D model of the basin in a computer simulation for the shaking at frequencies of 0.7 Hertz (the dominant shaking frequency recorded during past quakes) . We found that the amplifications of horizontal ground motion could be 2.5-3 times the background level adjacent to the western edge of the basin.
Nous avons utilisé un modèle 3D du bassin dans une simulation informatique des secousses à des fréquences de 0,7 Hertz (la fréquence dominante de secousse enregistrée lors de tremblements passés) . Nous avons constaté que les amplifications du mouvement horizontal du sol pourraient être de 2,5 à 3 fois le niveau de fond adjacent au bord ouest du bassin.
When we compared this predicted pattern of amplified shaking to where the actual damaged buildings were located during the Kaikōura earthquake, we observed some correlation with the western edge of the basin.
Lorsque nous avons comparé ce modèle de secousses amplifiées prédit à l’emplacement des bâtiments réellement endommagés lors du tremblement de terre de Kaikōura, nous avons observé une certaine corrélation avec le bord ouest du bassin.
However, we need to be cautious when making this comparison as this pattern could be linked to other factors, such as the distribution of reclaimed land and clustering of inadequately designed buildings.
Cependant, nous devons être prudents lors de cette comparaison car ce modèle pourrait être lié à d’autres facteurs, tels que la distribution des terres récupérées et l’agrégation de bâtiments mal conçus.
Our study nevertheless highlights two key points.
Notre étude souligne néanmoins deux points clés.
First, simple geophysical methods can now be used in urban areas to map out the depth and shape of basins that cities are built on. From these models, we can then generate computer simulations to predict the location of amplified shaking.
Premièrement, des méthodes géophysiques simples peuvent désormais être utilisées dans les zones urbaines pour cartographier la profondeur et la forme des bassins sur lesquels sont construites les villes. À partir de ces modèles, nous pouvons ensuite générer des simulations informatiques pour prédire l’emplacement des secousses amplifiées.
This will lead to more granular zoning for what parts of cities may be more vulnerable.
Cela permettra une zonification plus granulaire de ce que certaines parties des villes pourraient être plus vulnérables.
The second key point is higher awareness of the risk to cities built on sedimentary basins from not only local, but also distant earthquakes.
Le deuxième point clé est une sensibilisation accrue au risque pour les villes construites sur des bassins sédimentaires non seulement en cas de séismes locaux, mais aussi éloignés.
Timothy Stern has received funding from the NZ Earthquake Commission (EQC) for the initial gravity survey; QuakeCore for some of the seismic work; and from an internal Victoria University grant for student stipend support.
Timothy Stern a reçu un financement de la NZ Earthquake Commission (EQC) pour l’étude initiale de gravité; de QuakeCore pour une partie du travail sismique; et d’une bourse interne de l’Université Victoria pour le soutien des bourses étudiantes.
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