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Le 11 novembre 2019 à 11 h 52, dans la vallée du Rhône, en Ardèche, les habitants du village du Teil et des alentours entendent un bruit assourdissant et sont violemment secoués durant 5 à 6 secondes par le plus fort tremblement de terre enregistré sur le territoire métropolitain (magnitude locale (MLv) 5,4 et de magnitude de moment (MW) 4,9) depuis celui qui détruisit presque complètement le village d'Arette, dans les Pyrénées Atlantiques, en 1967.
Rapidement, les habitants, les médias et les scientifiques s'interrogent : dans la zone épicentrale se trouve la carrière historique de LafargeHolcim dont on a extrait un grand volume de roches depuis 1833. La question de l’origine anthropique de ce séisme est dès lors posée.
Sur la zone du Teil, une cellule post-sismique (GIS Teil) constituée essentiellement de chercheurs universitaires et du CNRS a été créé afin de procéder aux premières investigations urgentes dans ce secteur peu instrumenté pour la surveillance du risque sismique. Il s’agissait essentiellement de déployer un réseau temporaire d’instruments géophysiques (stations sismiques et géodésiques) afin d’étoffer le réseau permanent (RESIF- Réseau Sismologique et Géodésique Français) pour améliorer la localisation des répliques et suivre certains effets de site suspectés et leurs corrélations aux dégâts (Cornou et al., 2020).
Le GIS a également rapidement (pour éviter leur érosion) procédé aux relevés de traces de rupture à la surface, guidé par la trace de la rupture identifiée par le traitement interférométrique d’images satellitaires InSAR, notamment par le BRGM qui les a immédiatement mis à disposition de la communauté scientifique. La rupture identifiée sur les images coïncide avec une partie du tracé de la faille de la Rouvière sur la carte géologique d’Aubenas (Ritz et al., 2020). Le mouvement maximal sur la faille a été estimé entre 20 et 30 cm au niveau de la zone de rupture avec un déplacement vertical en surface compris entre 5 et 10 cm (le déplacement le long de la rupture est environ 1.5 à 2 fois plus grand compte tenu de l’angle de plongement de celle-ci en surface compris entre 20 et 45°). Ce n’est pas tant ce déplacement qui est l’origine des dégâts dans la commune du Teil mais surtout l’accélération verticale associée aux mouvements (tremblements) qui ont dépassé la gravité à proximité de la faille, ce qui est exceptionnel pour un séisme modéré (Causse et al., 2020).
Géologiquement, ce secteur a été peu investiguée et les principales notes et publications suite au séisme du Teil du 11.11.2019 reprennent strictement les éléments de la carte géologique au 1/50 000ème du BRGM (Figure 1). La carte d’Aubenas du secteur étudiée date de 1996. Il s’agit d’une édition récente qui intègre potentiellement tous les concepts géodynamiques de cette époque. Néanmoins, dans le détail, l’essentiel des relevés cartographiques sont issus principalement des thèses de S. Elmi (1967) pour les terrains sédimentaires et de A. Weisbrod (1970) pour le socle hercynien, complétés jusqu’en 1980 par les travaux sur les terrains d’âge Crétacé de R. Busnardo.
Figure 1 : Coupe géologique montrant la localisation de l’hypocentre du séisme du 11 Novembre 2019 le long de la faille de la Rouvière, ancienne faille normale Oligocène réactivée en faille inverse. Noter que la zone en rouge en surface correspond à l’emplacement de la carrière du Teil. PCF : Faille de Pontet-de-Couloubre, LRF Faille de La Rouvière, BRRF Bayne-Faille de Roche-Renard, BSAF Faille de Bayne-Saint-Alban Fault, BCS : synclinal de Bayne-Couijanet (modified © Ritz et al., 2020).
Très rapidement, il a semblé nécessaire, aux équipes du BRGM suite aux travaux des scientifiques de Montpellier, Lyon, Grenoble, Nice et Paris, de revisiter le modèle géologique et structural du secteur, en faisant l’acquisition de nouvelles observations et données géophysiques, et de le mettre au regard d’une interprétation fine des données satellitaires en matière de déplacement, d’un traitement poussé du signal enregistré par le capteur sismique au droit pratiquement de l’hypocentre présumé et enfin d’investiguer, en plus des effets dus à l’enlèvement de matière par l’exploitation de la carrière, des phénomènes de mise en charge hydraulique du systèmes de faille en liaison avec des événements hydro-climatiques extrêmes. Deux programmes de recherche et développement ont ainsi été lancé en parallèle avec le soutien financier de Lafarge Holcim pour l’un et l’INSU-CNRS pour le second.
A l’issu des investigations [1], sur la zone d’étude, le BRGM a pu mettre en évidence une claire division est-ouest sur la répartition des déformations. En effet, à l’ouest d’une transversale N-S passant par Saint-Thomé (et au nord de la faille de Pontet de Couloubre), les déformations sont faibles et localisées au niveau des grands accidents connus : la faille de La Fare-Alba, la faille de Pontet de Couloubre, la faille de Valgayette et la faille de Saint-Thomé.
A l’échelle sismique, ces failles à fort pendage vers l’est, montrent des décalages apparents normaux affaissant progressivement les formations géologiques en allant vers l’est. Cependant l’imagerie sismique montre une structure en fleur compatible avec les observations de terrain indiquant une composante principale décrochante.
La faille majeure de Viviers, méconnue à ce jour, a pu être caractérisée sur le terrain et par imagerie sismique. Elle a été ainsi ajoutée au schéma structural. L’interprétation sismique et la construction du modèle géologique 3D image et révèle la présence, dans cette zone, d’une structure en fleur positive, limitée au nord par la faille de la Rouvière, à pendage sud-est et au sud par la faille de Viviers, à pendage fort vers le nord-ouest.
La carrière de Lafarge Holcim se situe sur le bloc central de cette structure.
Le retraitement des données d’interférométrie radar par les ingénieurs du BRGM a permis de repositionner le système de faille à l’intérieur de la structure en fleur positive, notamment en identifiant qu’en plus de la faille de La Rouvières une partie de la faille Bayne Rocherenard avait subi un mouvement lors du séisme.
Le point important étant que la rupture de la partie Sud-Ouest, connue, de la faille Bayne Rocherenard semble se poursuivre vers le Nord Est parallèlement à la faille de la Rouvière et ne la rejoint pas comme c’est le cas dans la carte géologique au 1/50 000ème d’Aubenas (1996). Sur cette base, il est proposé un repositionnement de la faille de Bayne Rocherenard en la prolongeant (Figure 2).
Figure 2 : comparaison du schéma structural issu des observations de terrains ainsi que de l’interprétation de la sismique (à gauche) et des nouvelles données interférométriques (cercles noirs) permettant une mise à jour de la prolongation NE de la faille Bayne Rocherenard (à droite). Le nouveau prolongement du tracé de la faille de Bayne Rocherenard est en traits discontinus en vert sur la partie gauche.
La présence de cette structure en éventail ( structure en fleur positive, figure 3) entre la faille de Saint-Thomé et la faille du Viviers, témoigne de la réactivation des structures anciennes de direction NE-SW depuis au moins le début du Miocène (23 Ma).
La base BDFA de l‘IRSN documente 4 failles actives dans le secteur d’étude (à proximité immédiate de la carrière (rayon de 4 km)), possédant la même orientation NE-SW et, a priori, une histoire géologique similaire à celle la Rouvière (inconnue de la base BDFA jusqu’à 2019), source du séisme du 11.11.2019. La sismicité instrumentale reste peu marquée mais la sismicité historique (base SisFrance) fait état de 7 évènements historiques dans la zone d’étude. Quatre sont situés autour de Montélimar, probablement lié à la faille de Marsannes (Jomard et al., 2017), deux autours de Viviers, à mettre en lien avec la faille de Viviers mise en évidence dans cette étude ou celle de Saint-Montan, et un séisme historique est recensé en 1923 sur le Teil à corréler possiblement avec la faille de la Rouvière.
Figure 3 : Interprétation des lignes de sismique réflexion. La structure en éventail entre la Faille de Saint-Thomé et la faille du Viviers (structure en fleur positive) témoigne d’une raccourcissement quasiment est-ouest sur des structures héritées d’orientation NE-SW
Un mois après le séisme, un groupe de scientifiques mandaté par le CNRS-INSU a émis un rapport (Ampuero et al., 2019). Basé sur une modélisation mécanique en 3D, les auteurs ont conclu d’une part que l’extraction de roches en surface au niveau de la carrière du Teil ne pouvait pas être seule responsable de l’accumulation des contraintes qui ont été relâchées par le séisme. Autrement dit, ce séisme n’est pas un séisme induit par l’activité humaine mais bien un séisme largement naturel. D’autre part, les tirs de carrières dont la magnitude est inférieure à 2 n’ont probablement pas joué un rôle dans le déclenchement du séisme.
En revanche, ce que l’on ne pouvait pas exclure, c’est que l’extraction de la masse rocheuse depuis plus de 100 ans dans la carrière (71,6 millions de tonnes de roches extraites depuis 1946 selon LafargeHocim) ait produit un changement de contrainte en profondeur favorisant le déclenchement du séisme du Teil. Autrement dit ce séisme naturel se serait produit tôt ou tard dans quelques centaines ou quelques milliers d’années, mais l’activité de la carrière aurait accéléré ce déclenchement.
La Figure 4 (© Ampuero et al., 2019) montre la cartographie du changement de contrainte de Coulomb estimée sur la faille de la Rouvière. La ligne rouge souligne l’emplacement des ruptures en surface.
Figure 4 : Cartographie du changement de contrainte de Coulomb sur la faille (CFF) induit par l’extraction de masse rocheuse de la carrière depuis 1946. Les valeurs sont en kPa (x1000 Pa). Les valeurs de CFF sont positives et promeuvent un mouvement de type inverse de la faille. La ligne rouge souligne l’emplacement des ruptures en surface (© Ampuero et al., 2019).
D’après ces calculs, l’ampleur du changement de contrainte de Coulomb atteint donc environ 150 kPa (1,5 bar) à environ 1 km de profondeur.
Ainsi, l’effet de l’extraction du volume rocheux est d’augmenter à la fois la contrainte cisaillante sur la faille, qui tend à faire bouger la faille en jeu inverse, et de réduire la contrainte normale perpendiculaire à la faille, ce qui a tendance à débloquer la faille. Les deux effets se combinent pour faciliter le glissement de la faille. Cependant l’ampleur de la perturbation de contrainte cisaillante produite par la carrière est estimée à un peu moins de 100 kPa (1bar), ce qui est relativement faible en comparaison de la contrainte cisaillante naturelle relâchée par le séisme (chute de contrainte) qui atteint localement un maximum de 3000 à 4000 kPa (30-40 bars).
Cela confirme que le chargement tectonique naturel long-terme de la faille est prédominant par rapport à l’activité de la carrière et constitue donc le facteur principal contrôlant l’évolution du séisme après son déclenchement. Par contre, le relachement des contraintes produite par la carrière sur la faille a pu jouer un rôle dans le déclenchement du séisme. En effet, la chute de la contrainte de Coulomb de l’ordre de 150 kPa induite par l’activité de la carrière depuis 1946 est supérieur aux valeurs de l’ordre de 10 kPa qui ont été suffisantes pour déclencher des séismes dans divers contextes (Perfettini et al., 1999).
L’hypothèse d’un déclenchement du séisme par la carrière serait d’autant plus plausible que l’hypocentre du séisme, qui est le lieu d’initiation de la rupture, serait proche de la zone de plus fortes valeurs de la chute de la contrainte de Coulomb qui est localisée au niveau de la bordure NW de la carrière, mais elle s’étend sur une surface elliptique dont l’extension est de l’ordre de 2 km dans la direction NE-SW (Figure 4).
Cependant, un autre paramètre externe a pu jouer un rôle majeur dans le déclenchement du séisme : la pluviométrie (Hainzl et al., 2006).
En effet, en première analyse, il a été observé que les trois évènements pluvieux les plus intenses entre 2010 et 2019 avaient tous été suivis par un évènement sismique dans cette zone autour du Teil, une dizaine de jours après ces épisodes pluvieux. Ceci ne suffisait cependant pas à établir un lien de causalité compte-tenu d’un nombre statistiquement insuffisant d’évènements sismiques pendant cette période.
Un premier modèle 2D avait démontré que la surpression hydraulique à l’intersection de la faille de La Rouvière et d’une faille sub-verticale était maximale juste avant le séisme avec un ordre de grandeur entre 0,3 et 0,6 MPa, en fonction des paramètres hydrauliques choisis (Burnol et al, avril 2021).
Les équipes du BRGM ont ensuite construit des modèles tridimensionnels (3D) avec l’utilisation de différentes configurations géologiques / conditions aux limites afin de calculer plus précisément le maximum de surpression hydraulique sur la faille de La Rouvière potentiellement déclencheur du séisme du 11 Novembre 2019. Le code Compass du BRGM a été utilisé avec, comme conditions aux limites en surface, les données d’humidité du sol acquises par le satellite SMOS entre 2010 et 2019.
Les résultats de ces simulations montrent qu’à l’intersection de la faille de La Rouvière et de la faille Bayne Rocherenard, l’augmentation de pression interstitielle calculée est maximale juste avant le séisme du 11 novembre 2019.
Une étude de sensibilité sur les paramètres hydrauliques et sur la configuration du système de failles du modèle 3D, permet d’estimer qu’à proximité de l’intersection du système à trois failles (La Rouvière - Bayne Rocherenard – Paurière), à environ 1200 m de profondeur, la surpression liée à la recharge hydraulique est comprise entre 490 et 560 kPa (figure 5).
La variation de contrainte normale liée à une décharge mécanique en relation avec l’exploitation de la carrière a été comparé à la surpression hydraulique liée à une recharge d’eaux météoriques, en choisissant une même géométrie du système à trois failles.
A l’intersection des trois failles, la surpression hydraulique juste avant l’évènement sismique du 11 novembre 2019 est de l’ordre de 500 kPa, c’est-à-dire environ 3 fois plus grand que la contrainte normale mécanique due au retrait de masse de la carrière estimé entre 200 et 150 kPa par Ampuero et al. (2019) et la modélisation effectué par le BRGM[2] (Burnol et al., novembre 2021). En outre, la localisation de ces points de surpression hydraulique maximale proches de l’intersection des trois failles est cohérente avec la mesure des premiers mouvements du séisme enregistré par le capteur sismique de la maison Clauzel.
Cette recherche a pu être conduite en toute indépendance et avec le soutien du groupe LafargeHolcim d’une part et le CNRS-INSU d’autre part. Le modèle géologique du secteur a pu être mis à jour et nous disposons aujourd’hui d’une vision précise en 3D de la géométrie du système de faille et des mouvements associés au séisme du 11 novembre 2019.
Ce nouveau modèle géologique et structural a servi de base aux modélisations mécaniques de l’influence de l’exploitation de la carrière sur la répartition du champ de contraintes sur le système de faille ainsi que la charge hydraulique induite par des événements hydro-climatiques. Ces hypothèses sont bâties sur un faisceau d’éléments et de modèles validés par la communauté scientifique.
Ce qui ressort de ces travaux c’est d’une part que le séisme du Teil est d’origine tectonique naturel, c’est à dire que l’accumulation des contraintes géologiques sur le long-terme a été libéré quasi-instantanément. Ce séisme est exceptionnel du fait qu’il s’est produit à faible profondeur, 1 km environ, ce qui a engendré une forte accélération verticale et des dégâts importants. Les modélisations effectuées ont montré que d’une part l’activité de la carrière depuis au moins 75 et surtout les événements hydro-climatiques précédant le séisme ont pu jouer un rôle dans le déclenchement et la localisation du séisme. Nous rappelons que, si ces hypothèses sont scientifiquement plausibles, on ne peut pas totalement exclure que les processus invoqués n’aient eu qu’une influence négligeable sur le séisme et que celui-ci se serait produit de toute façon même sans la présence de la carrière, sous l’effet des processus purement naturels, notamment tectoniques.
Les travaux des scientifiques vont se poursuivent dans les années à venir dans cette partie de la vallée du Rhône. En effet, bien que le temps de retour des séismes majeurs apparaisse bien supérieur à la période couverte par la sismicité historique (et instrumentale) dans ce domaine intraplaque, il existe divers éléments qui imposeraient de revoir à la hausse l’aléa sismique de ce secteur où la vulnérabilité humaine et industrielle est importante.
[1] De nouvelles acquisitions ont été effectuées : géologiques de terrain (8 jours) et 2 lignes de sismiques (8 km), ces dernières viennent étoffer l’ensemble de lignes sismiques retraitées dans le cadre du projet (43 Km), celles mises à disposition par le BRGM pour le projet (200 Km)
[2] Concernant le changement de contrainte de Coulomb (DCFF) en profondeur, les modélisations analytiques avec la prise en compte des incertitudes indiquent une variation de l’ordre de 200 kPa à une profondeur comprise entre 600 m et 900 m. Les résultats du calcul numérique utilisant le code 3-DEC donnent le même ordre de grandeur avec une valeur de 207 kPa. En conclusion, l’ordre de grandeur du changement de contraintes lié à l’exploitation de la carrière est compatible avec celui calculé dans le rapport de Ampuero et al. (2019) et celui de la version corrigée de l’article7 de De Novellis (2020) suite au commentaire8 de Liang & Ampuero (2020).
REFERENCES
1. Ampuero, JP., Audin, L., Bernard, B., Brenguier, Delouis, B., F., Grandin, R. Jolivet, R., Leloup, PH., Ritz, J., Vergne, J., Vernant PH., Voisin, C., 2019. Rapport d’évaluation du groupe de travail (GT) CNRS‐INSU sur le séisme du Teil du 11 novembre 2019 et ses causes possibles. hal-03080941.
2. Cornou, C., J. P Ampuero, C. Aubert et al. (2020), Rapid response to the Mw 4.9 earthquake of November 11, 2019 in Le Teil, Lower Rhône Valley, Franc. Comptes Rendus Geoscience, 353, doi.org/10.5802/crgeos.30
3. Ritz, J. F., Baize, S., Ferry, M., Larroque, C., Audin, L., Delouis, B., Mathot, E., 2020. Surface rupture and shallow fault reactivation during the 2019 Mw 4.9 Le Teil earthquake, France, Comms. Earth Environ., 1 (1), 1-11.
4. Causse, M., Cornou, C., Maufroy, E., Grasso, R.-R., Baillet, L., El Haber, E., 2020. Exceptional ground motion for moderate-sized shallow earthquake, Comms. Earth Environ., 2 (1), 1-9
5. Jomard, H., Cushing, E. M., Palumbo, L., Baize, S., David, C., Chartier, T., 2017. Transposing an active fault database into a seismic hazard fault model for nuclear facilities – Part 1: Building a database of potentially active faults (BDFA) for metropolitan France, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 17, 1573–1584.
6. Perfettini, H., Stein, RS, Simpson, R., Cocco, M. 1999 Stress transfer by the 1988–1989 M= 5.3 and 5.4 Lake Elsman foreshocks to the Loma Prieta fault: Unclamping at the site of peak mainshock slip Journal of Geophysical Research: Solid Earth 104 (B9), 20169-20182
7. De Novellis, V., Convertito, V., Valkaniotis, S., Casu, F., Lanari, R., Tobar, MFM, et al. 2020 Editorial Expression of Concern: Coincident locations of rupture nucleation during the 2019 Le Teil earthquake, France and maximum stress change from local cement quarrying Communications Earth & Environment 1 (1), 1-1.
8. Liang, C. & Ampuero, JP. 2020 Comment on" Coincident locations of rupture nucleation during the 2019 Le Teil earthquake, France and maximum stress change from local cement quarrying" by De Novellis et al.. Earth and Space Science Open Archive ESSOAr
9. Hainzl, S., Kraft, T., Wassermann, J., Igel, H. & Schmedes, E. Evidence for rainfall-triggered earthquake activity. Geophysical Research Letters 33, (2006).
10. Burnol, A., Armandine Les Landes, A., Aochi, H., Maury, J., and Allanic, C.: Hydraulic and mechanical constraints on the magnitude Ml 5.2 earthquake of 11 November 2019 at Le Teil (France), EGU General Assembly 2021, online, 19–30 Apr 2021, EGU21-1394,
11. André Burnol, Antoine Armandine Les Landes, Simon Lopez, Philippe Pébay, Daniel Raucoules, et al.. 3D hydraulic and mechanical constraints on the 5 magnitude earthquake of 11 November 2019 at Le Teil (France). RST - 27e édition de la Réunion des Sciences de la Terre, Nov 2021, Lyon, France.
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Jean-Luc Faure (05/01/2024 16:27)
Bonjour
La ligne sismique de la figure 3 (Faille de la Rouvière) est-elle en Temps TWT car MSTD je ne connais pas. Merci
Jean-Luc Faure (05/01/2024 16:38)
Bonjour
La ligne sismique de la figure 3 (Faille de la Rouvière) est-elle en Temps TWT car MSTD je ne connais pas. Merci
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