Séisme du 11 mars 2011 au large de Sendai, île de Honshu, Japon

Un très fort tremblement de terre a eu lieu le vendredi 11 mars 2011 au large de Sendai (Nord-Est de l'île de Honshu, Japon), à 14h26 heure locale (6h46 heure légale française). Ce séisme très puissant, d'une magnitude de 9,0, a occasionné de nombreux dégâts directs mais aussi indirects du fait du tsunami qui en a découlé. On denombre au moins 3 000 victimes (bilan officiel du 13 mars, on s'attend à 10 000 morts ou plus). Des incidents sur plusieurs réacteurs nucléaires touchés par le séisme et le tsunami font peser un risque supplémentaire en cas d'explosions et de rejets radioactifs.

Les informations collectées par différents réseaux de surveillance sismique sont présentées sur le site de l'USGS (U.S. Geological Survey). On retrouve un dossier dédié au séisme japonais du 11 mars 2011 : "Magnitude 9.0 - NEAR THE EAST COAST OF HONSHU, JAPAN".

On apprend que l'épicentre du séisme est situé à environ 130 km au large de Sendai, ou à plus de 373 km au NE de Tokyo, avec un foyer à seulement 30 km de profondeur. Sa magnitude de 9,0 (d'abord indiquée 9,1 puis 8,9, au fil du temps, la valeur se stabilisera lorsque toutes les données sismiques seront prises en compte) indique qu'il s'agit d'un événement extrême, encore plus fort que le séisme de Conception (Chili) en février 2010 de magnitude 8,8. Il est du même ordre de grandeur que le séisme de décembre 2004 au large de l'Indonésie et beaucoup plus intense que le séisme d'Haiti de magnitude 7, 1 000 fois moins énergétique.

En combinant carte de localisation, mécanisme au foyer, et connaissance du contexte géodynamique (plaque Pacifique en subduction sous le Japon), on en déduit que le déplacement correspond à un chevauchement (mouvement inverse selon un plan peu penté).

Source - © 2009 US Geological Survey Figure 1. Localisation et mécanisme au foyer du séisme du 11 mars 2011 au large de Sendai (Japon) L'épicentre est indiqué par un rond rouge. En violet, la limite occidentale de la plaque Pacifique, qui entre ici en subduction sous le Japon. La contrainte maximale σ1 (rond noir sur le mécanisme au foyer) est relativement peu penté pour ce mouvement de faille inverse. Le plan de faille qui a joué est de direction sub- parallèle à la limite de plaque, environ 15°N et très "plat", c'est un chevauchement.

Source - © 2009 US Geological Survey Figure 2. Sismicité récente au large de Honshu (Japon) L'épicentre du séisme du 11 mars 2011 est indiqué par une croix. Les mécanismes au foyers des 20 derniers séismes de la région sont représentés (à comparer au mécanisme de ce séisme à la figure précédente).

Source - © 2009 US Geological Survey Figure 3. Sismicité au Japon, carte et coupe L'épicentre du séisme du 11 mars 2011 est indiqué par une croix. Il est situé en base de croûte.

Source - © 2009 US Geological Survey Figure 4. Les répliques du séisme de Sendai En 3 jours, 405 répliques ont été enregistrées.

Quelques données compilées dans un kmz (pour Google Earth) par M.J. Broussaus pour EduterreUsages.

La carte d'intensité des destructions liées au tremblement de terre montre un niveau maximum de VIII sur une échelle de XII (Mercalli modifiée), un niveau qui correspond à des dégâts modérés à lourds, même sur des structures résistantes.

Source - © 2009 US Geological Survey Figure 6. Cartes des iso-intensités, séisme de Sendai, 11 mars 2011 La côte Nord-Est de Honshu est à un niveau de VIII sur l'échelle MSK (Mercalli modifiée).

Source - © 2009 US Geological Survey Figure 7. Exposition des populations, séisme de Sendai, 11 mars 2011 Les chiffres de population correspondent à la carte ci-dessus. À un niveau de VIII, les destructions peuvent être lourdes (heavy) même sur des structures résistantes. À Tokyo, l'intensité "n'est que" de VII.

Du fait de la sismicité récurrente au Japon, la plupart des constructions ont été édifiées selon des normes parasismiques adaptées. De nombreux immeubles ont donc "bougé" sans pour autant s'effondrer, ce qui a permis de limiter le nombre de victimes du séisme.

L'accumulation continue des contraintes en zone de convergence induit des déformations élastiques qui sont relâchées lors des séismes, on parle alors de déformations cosismiques. L'analyse de données GPS a permis à de nombreuses équipes de calculer les déplacements horizontaux et verticaux liés au séisme de Sendai du 11 mars 2011. La connaissance de ces déplacements permettra aussi de contraindre la géométrie de la faille qui a joué et l'amplitude du déplacement sur cette faille (voir aussi la page relative au séisme de Sendai sur le site de l'IPGP).

Source - © 2009 GEO (Group on Earth Observation) données de JPL / Caltech / GSI (Japan) Figure 8. Déplacements horizontaux liés au séisme de Sendai Les déplacements horizontaux, par rapport à la plaque Pacifique sont calculés à partir de calculs des positions de stations GPS : en rouge, les déplacements co-sismiques (pendant le séisme), en bleu, les déplacements post-sismiques (ici, pendant les 8 heures après le séisme. Il ne s'agit pas d'un déplacement d'ensemble du Japon vers l'Est, mais localement des déplacement de plusieurs mètres sont observés.

Source - © 2009 JPL / Caltech / GSI (Japan) Figure 9. Déplacements verticaux liés au séisme de Sendai Les déplacements verticaux calculés à partir de la différence des altitudes mesurées 3/4 h avant et 3/4 h après le séisme. Des abaissements de l'ordre du mètre sont observés sur une large portion de la côte Nord-Est de l'île de Honshu. Cet affaissement explique le retrait incomplet de l'eau après le tsunami, certaines zones côtières s'étant affaissées. Source :

Le traitement des données, plus précises et plus nombreuses au fil des heures, permettra d'affiner les données de déplacements.

Le territoire du Japon est le mieux équipé au monde en balises GPS. Les mouvements (dits absolus) de tout le territoire sont connus. Par ailleurs, on connaît le mouvement moyen de la plaque Pacifique vers l'Ouest (8,3 cm/an), sur un plan de faille très peu penté (15°) sous l'Est du Japon. Si le Japon était totalement découplé par rapport à la plaque Pacifique, il n'aurait pas bougé pendant les années précédant le séisme. Si le Japon était parfaitement « collé », couplé à la plaque Pacifique, il se serait déplacé vers l'Ouest de 8,3 cm/an pendant les années qui ont précédé le séisme. La différence entre les mouvements observés (avant le séisme) des différents secteurs du territoire japonais et du mouvement théorique en cas de couplage parfait permet d'estimer les zones ou le couplage était fort. C'est dans ces zones à fort couplage que des contraintes ont été accumulées, ces zones étaient donc les plus susceptibles de se rompre et d'occasionner un fort séisme.

Source - © 2009 Mohamed Chlieh, IRD – Geoazur sur le site GEO, modifié

Figure 10. Cartographie de l'intensité du couplage entre la lithosphère Pacifique et la lithosphère « japonaise » avant le séisme du 11 mars 2011

Les flèches indiquent la moyenne annuelle du déplacement du Japon vers l'Ouest, déplacements donnés par le très dense réseau de balises GPS. La différence entre cette valeur et la vitesse de la plaque Pacifique permet de calculer le degré de couplage entre les 2 plaques. Un couplage de 0 indique une absence totale de couplage : la plaque Pacifique glisse librement sous le Japon sans l'entraîner. Un couplage de 1 indique le couplage maximal : la plaque Pacifique est complètement « collée » au Japon et la pousse dans son mouvement vers l'Ouest. Dans la zone au large du Japon, on voit qu'il y avait 5 zones de fort couplage, numérotées de I à V. Les cercles verts indiquent la position des répliques. Toute la zone affectée par les répliques correspond au plan de faille qui a rompu le 11 mars 2011. L'étoile rouge indique la position du foyer, point où a commencé la rupture. Ce sont les zones I, II et III qui se sont rompu ce 11 mars 2011. Les zones IV et V n'ont pas bougé... Ce sera pour une prochaine fois ! L'astérisque bleu indique la position de l'agglomération de Tokyo, au niveau de la zone IV, ce qui est extrêmement inquiétant.

Ce modèle, utilisant des données pré-sismiques, a été calculé dans les heures suivant le séismes. Il est donc susceptibles d'améliorations dans les jours / semaines qui viennent.

Grâce aux nombreux enregistrements sismiques obtenus, les sismologues japonais ont pu retracer la chronologie de la rupture et son amplitude.

Source - © 2001 Yuji Yagi, Univ. de Tsukuba

Figure 11. Animation montrant la propagation de la rupture lors du séisme de Sendai, 11 mars 2011

Ce petit film montre la chronologie et l'amplitude de la rupture le long du plan de faille (penté de 15° vers l'Ouest). Le plan de faille qui a joué ce 11 mars est figuré en violet. L'étoile jaune correspond au foyer, là ou a débuté la rupture. L'échelle des couleurs indique l'amplitude cumulée du déplacement (en mètre). La rupture a débuté au niveau de la zone I de la figure précédente. On voit la rupture se propager vers les zones II et III, qu'elle atteint en quelques dizaines de secondes. C'est au niveau de la zone Sud (III) que le déplacement est maximum, puisqu'il dépasse 24 m. Le film simule 209 secondes ; mais on voit que le mouvement est quasiment achevé au bout de 150 s (2 min 30 s).

On peut noter que le mouvement maximum a eu lieu dans la zone où le couplage était maximum (zone III, cf. figure précédente).

Très souvent lors d'un séisme, une seule zone de fort couplage cède. Ici, la rupture débutant en zone I a gagne deux zones adjacentes à fort couplage (II et III). Cela explique la magnitude assez exceptionnelle de ce séisme, le plus important au Japon depuis que l'on a des enregistrements sismiques.

Pour tout séisme en mer, se pose la question de la naissance d'un tsunami. En cas de séisme profond, affectant la lithosphère entrée en subduction, les contraintes et déformations relâchées lors du séisme n'affectent pas (ou peu) le fond des océans et ne génèrent donc pas de tsunami. Par contre, comme c'est le cas pour le séisme de Sendai du 1 mars 2011, un séisme superficiel affectant la crôute a de très fortes probabilités de correspondre au relâchement de déformations accumulées ayant déformé le fond des océans. Cette brutale modification de la topographie du fond océanique lors du séime génère alors un tsunami : une vague qui se propage dans l'océan. Si cette vague n'est pas très haute en pleine mer (20 à 100 cm), son ralentissement à l'approche des côtes provoque une augmentation de l'intensité des vagues qui peuvent devenir très destructrices.

Sur la côte Nord-Est de Honshu, la vague de plusieurs mètres a pénétré jusqu'à 5 km à l'intérieur des terres, balayant sur son passage tout ce qui n'est pas solidement ancré. Les victimes liées au séismes sont dans cette partie de l'île, essentiellement dues au tsunami. Un train qui déraille a plus de chance de contenir des survivants qu'un train submergé par une vague de boue.

Source - © 2009 NASA/GSFC/LaRC/JPL, MISR Team

Figure 12. La côte Est de Honshu en 2001 et en 2011, juste après le tsunami du 11 mars 2011

Région de la baie de Matsukawa-ura, avant et après le tsunami. La ligne de côte a reculé après le passage du tsunami qui a pénétré de plusieurs kilomètres à l'intérieur des terres et a emporté des sédiments lors du reflux vers l'océan.

Si la vague est arrivée rapidement à Sendai-Miyagi et plus au Nord (d'abord un retrait de la mer avant une élévation importante envahissant les terres), puis plus tard, plus au Sud de l'île, le tsunami était ensuite attendu partout ailleurs dans le Pacifique. Des systèmes d'alerte permettent en effet de modéliser la propagation d'un tsunami et des bouées permettent de mesurer en temps réel cette propagation, et donc d'améliorer au fur et à mesure les prévisions d'arrivée du tsunami. Selon la distance, la configuration des côtes et la direction exacte de propagation de l'onde du tsunami, il est possible de prévoir l'heure d'arrivée de la vague mais surtout l'ordre de grandeur de son intensité et donc de prendre les mesures de protection nécessaires (évacuations, mise en sécurité d'installations sensibles). La NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) fournit rapidement des modèles de propagation et d'intensité de la vague.

Source - © 2009 Source : NOAA Figure 13. Carte de la propagation du tsunami du 11 mars 2011 dans le Pacifique Cette carte montre les temps d'arrivée du tsunami prévus sur les côtes de l'océan Pacifique. L'étoile indique l'épicentre du séisme ; les losanges jaunes les positions des marégraphes sur les côtes et îles du Pacifique ; les losanges rouges les positions des bouées immergées du système de prévention des tsunamis (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis).

Source - © 2009 NASA/GSFC/LaRC/JPL, MISR Team Figure 14. Hauteur en mer de la vague du tsunami du 11 mars 2011 dans le Pacifique La hauteur indiquée est la hauteur de la vague en mer. Cette hauteur est amplifiée à l'approche des côtes, lorsque le fond marin remonte. On peut voir cette carte du tsunami sur une animation de la NOAA.

Cette région du Nord-Est du japon est classiquement soumise à de tels tsunamis. Les villes et vallées détruites par le tsunami de 2011 l'avaient déjà été plusieurs fois au cours de l'histoire. On peut citer le séisme connu sous le nom de Meiji-Sanriku (15 juin 1896). Le déferlement de la vague du tsunami associé avait atteint une hauteur de 38 m et fait 22 000 personnes. Le 3 mars 1933, une vague d'une hauteur de 28 m avait fait 3 300 victimes juste après le séisme de Showa Sanriku.

Un risque particulier à ce séisme est un risque de contamination radioactive. En effet, le Japon possède de nombreuses centrales nucléaires pour la production d'électricité. Comme tous les bâtiments récents de l'archipel nippon, les centrales sont construites pour résister à des séismes et, celles qui sont en bord de mer, à des inondations par des tsunamis. Suite au séisme, on constate que les édifices, dans leur ensemble, ont tenu le choc. Cependant, les centrales atteintes par le tsunami ont eu des problèmes d'inondation des circuits de refroidissement qui se sont arrêtés (du fait de l'inondation et/ou du séisme).

Cette situation n'est pas sans poser de graves questions. Si les centrales et leurs installations périphériques semblent avoir été bien dimensionnées pour résister à des intensité sismiques « classiques » pour la région, il ne semble pas en avoir été de même pour les tsunamis. Au moins 2 tsunamis de force comparable avaient déjà eu lieu dans la même région depuis la fin du 19^ème siècle. Que s'est-il passé pour que les centrales ne résistent pas à des tsunamis « classiques » pour la région ? Normes insuffisantes, normes non respectées, amplification locale de la hauteur de la vague qui a dépassé tout ce qui était prévisible ?

L'arrêt rapide de la production des réacteurs concernés n'a pas suffit à limiter l'échauffement du coeur de certains réacteurs. Suite à des dépressurisations pour éviter des explosions du coeur des réacteurs, des éléments radioactifs ont été libérés entraînant parfois des explosions et donc la libération dans l'atmosphère de gaz et particules radioactifs.

Source - © 2009 Google, modifié P. Thomas

Figure 15. Carte des vents en mars et position de quelques territoires français

Quelques territoires français (punaises jaunes) les moins loin du Japon (punaise rouge), à savoir Wallis et Futuna (WF, à 7 200 km du Japon), la Nouvelle Calédonie (NC, à 7 300 km), la Polynésie (P, à 9 000 km), la France métropolitaine (FM, à 9 500 km) et Saint Pierre et Miquelon (SPM, à 10 300 km). La Réunion est à 11 000 km, les Antilles sont à 13 000 km, et la Guyane à 15 000 km.

La direction moyenne des vents passant sur le Japon a été figurée par les flèches rouges. En cas de nuage radioactif important, ce seront d'abord Saint Pierre et Miquelon qui seront contaminés les premiers, puis la France métropolitaine. Les territoires du Pacifique, bien qu'au bord du même océan que le Japon risquent bien peu de chose, car il sont quand même très loin du Japon, et ils sont dans l'hémisphère Sud. Or les masses d'air des deux hémisphères ne se mélangent que très lentement. Comme quoi connaître sa géographie, savoir que la Terre est une sphère et que les distances réelles s'estiment très mal sur une carte plate, et connaître le b.a. ba de la météorologie auraient pu éviter à certains de dire des bêtises.

Si la contamination locale est avérée suite aux explosions ayant déjà eu lieu, un relargage massif de matière radioactive pourrait se produire en cas d'explosion du coeur d'un réacteur (cf. Tchernobyl). La France pourrait alors être touchée par un nuage radioactif, comme ce fut le cas en 1986 suite à l'accident de Tchernobyl (même si l'information et le nuage semblaient d'abord s'être arrêtés aux frontières). Ce fut aussi le cas, moins médiatisé, de l'accident nucléaire de Tokaimura (30 septembre 1999), dont la radioactivité atteignit certainement la France métropolitaine une dizaine de jours plus tard. Si certains pensent d'abord aux territoires français du Pacifique, il faut rappeler que ces derniers sont dans l'hémisphère Sud, et même dans l'hémisphère météorologique Sud (l'équateur météorologique étant à l'équateur géographique aux équinoxes et proche des tropiques lors des solstices). Or, les masses d'air s'échangent très peu entre les deux hémisphères. Les territoires français du Pacifique ont donc a priori peu à craindre de tels nuages radioactifs. Par contre, le report sur un globe terrestre (ou une carte) des vents dominants au mois de mars, montre que le premier territoire français touché serait les îles de Saint Pierre et Miquelon, un peu avant la France Métropolitaine. La connaissance de données de base en météorologie permet de se rappeler que la distance n'est pas le seul paramètre à prendre en compte pour le mouvement des nuages mais que la direction des vents dominants est cruciale, ce qui évite ainsi de paniquer inutilement... ou permet de se préparer utilement.

Source - © 1999 Frédéric Hourdin

Figure 16. Simulation de la propagation du nuage radioactif de Tokaimura, octobre 1999

Une idée de ce qui arriverait en cas de nuage radioactif à Fukushima ? Une différence (?), c'était l'automne, alors qu'aujourdh'ui l'incident aurait lieu en fin d'hiver. La France métropolitaine aurait été atteinte au bout d'une dizaine de jours, l'hémisphère Sud aurait été "épargné" (du moins pendant la durée de la simulation).

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