Aléa et microzonage sismiques à Beyrouth

par Marleine Brax

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement

Sous la direction de Pierre-Yves Bard et de Muhsin Elie Rahhal.

Soutenue le 11-10-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Guéguen.

Le jury était composé de Anne-Marie Duval, Giovanna Cultrera.

Les rapporteurs étaient Luis Fabián Bonilla, Françoise Courboulex.


  • Résumé

    Le Liban n'a pas souffert de grands tremblements de terre destructeurs depuis près de deux siècles. Il est toutefois traversé par la faille transformante majeure du Levant, séparant sur1000 km de longueur la plaque Arabique à l’est de la plaque Africaine à l’ouest. Ses principales branches au Liban sont la faille de Yammouneh qui traverse le pays du sud au nord, les failles de Serghaya et Rachaya dans sa partie Est, la faille de Roum et les failles inverses du Mont Liban dans la partie Ouest. Ces failles ont généré des séismes destructeurs dans la longue histoire connue de la région, parmi lesquels les plus importants sont ceux deJuillet 551 sur la faille du Mont-Liban, de mai 1202 sur la faille de Yammouneh, d’Octobre1759 sur la faille de Rachaya et de Novembre 1759 sur la faille de Serghaya. L'évaluation del'aléa et du risque sismique local est donc de première importance pour l'ensemble du pays.L'objectif du travail effectué dans cette thèse est d'appliquer au Liban les avancées réalisées ces dernières années dans le développement de nouveaux outils à la fois fiables et économiquement abordables pour l’évaluation de l’aléa sismique, en commençant par les grandes villes et en particulier la capitale Beyrouth. L'objectif est de mieux appréhender et comprendre le risque sismique sur le territoire libanais, pour pouvoir ensuite commencer à élaborer des politiques de prévention et des codes parasismiques qui puissent le réduire à terme.Un réseau sismologique temporaire composé de 10 stations a été installé dans Beyrouth etune partie de sa banlieue sur des sites représentatifs des principales unités géologiques présentes. Plusieurs dizaines de séismes locaux et régionaux ont pu y être enregistrés, et leur réponse sismique a été évaluée par la méthode du rapport spectral site sur référence (SSR),comparé au rapport spectral de la composante horizontale sur la composante verticale (H/V)calculé sur les tremblements de terre et sur le bruit ambiant. Les mêmes enregistrements ont également été utilisés pour prédire, par la technique des Fonctions de Green empiriques(FGE), le mouvement sismique correspondant à un événement majeur (Mw7.5) sur la faille de Yammouneh. Cet exercice de prédiction a toutefois été réalisé en deux étapes en raison des limitations dans l'application de la technique FGE en champ proche, avec deux techniques complémentaires: l'enregistrement d’un petit événement a été d'abord utilisé pour simuler un séisme de Mw6.5 sur la faille de Yammouneh, en parallèle à l'utilisation de plusieurs équations de prédiction de mouvement du sol (GMPE), soigneusement sélectionnées, pour effectuer une prédiction similaire. La comparaison FGE/GMPE a alors permis de calibrer la prédiction du mouvement du sol par GMPE à différents sites de Beyrouth pour l'événement cible de Mw7.5. Ces résultats ponctuels ont ensuite été étendus à l'ensemble de la municipalité de Beyrouth et de sa banlieue proche, en vue de mieux cerner les contours d'une future carte de microzonage, au travers d'une vaste campagne de mesures de bruit ambiant sur615 sites. Leur traitement H/V a permis d’obtenir une carte de la fréquence de résonance pour l'ensemble de la zone, carte dont la robustesse a été testée et prouvée. Des mesures sismiques actives et passives ont en outre été menées sur les principales unités géologiques à proximité des 10 sites préalablement sélectionnés et instrumentés, permettant ainsi d'obtenir les premières estimations directes de la vitesse des ondes de cisaillement (via les courbes de dispersion des ondes de Rayleigh). La comparaison de ces mesures avec les estimations -très dispersées - issues de la compilation des paramètres géologiques/géotechniques disponibles et des équations de corrélation existantes avec les valeurs N des SPT, montre tout l'intérêt de ces mesures simples et fiables.

  • Titre traduit

    Seismic hazard in Beirut


  • Résumé

    Lebanon is one of the countries that have not suffered from large destructive earthquakes foralmost two centuries. It is however lying on the 1000 km long, left lateral Levant fault thatseparates the Arabic plate in the east from the African plate in the west. Its main branches inLebanon are the Yammouneh fault that crosses the country from south to north, the Serghayaand Rachaya faults in its Eastern part, the Roum and Mount Lebanon Thrust faults in itsWestern part. These faults have generated destructive earthquakes in the long known historyof the area. The largest events are: The July 551 earthquake on the Mount Lebanon Thrustfault, the May 1202 earthquake on the Yammouneh fault, the October 1759 on the Rachayafault and the November 1759 on the Serghaya fault. From all above, one can conclude thatLebanon is exposed to a significant seismic hazard. Assessing the local seismic hazard andrisk is therefore of primary importance for the whole country.The objective of the work undergone in this PhD is to take advantage of the latest advancesachieved worldwide to promote rather inexpensive, though reliable, seismic hazardassessment tools, to try to apply them in Lebanon starting with the big cities and specificallythe capital Beirut. These studies will help to understand the Lebanese seismic risk andsubsequently to start to elaborate seismic policies and codes that may help reducing this risk.A temporary seismological network consisting of 10 stations has been installed in Beirut anda part of its suburbs. Several tens of local and regional earthquakes could be recorded, andallowed to estimate the site response at selected sites in Beirut through the standard site toreference spectral ratio method ("SSR") on earthquakes, compared to the horizontal tovertical ratio ("H/V") calculated on earthquakes and on ambient noise. The same recordingscould also be used via the empirical Green Function’s technique ("EGF") to predict theseismic ground motion corresponding to a Mw7.5 on the Yammouneh fault. However, due tolimitations in near-field applications of the EGF technique, this prediction exercise wasperformed in two steps and with two complementary techniques: a weak event recording wasfirst used to simulate a Mw6.5 earthquake on the Yammouneh fault, while several, carefullyselected ground motion prediction equations (GMPE) were used to perform a comparativeprediction for the same earthquake. This EGF/GMPE comparison then allowed tuning theGMPE prediction of ground motion at various sites within Beirut for the target Mw7.5 event.The results were then extended in view of proposing a framework for a future microzonationviimap. A comprehensive campaign of ambient noise measurements was achieved for 615 sitesof Beirut municipality and close suburbs, the H/V processing of which allowed to derive arobust map of resonance frequency for the whole area. In addition, active and passive seismicmeasurements were conducted on different geological units near the 10 formerlyinstrumented sites, which provided quantitative estimates of the shallow S-wave velocitythrough the Rayleigh wave dispersion curves. These geophysical measurements permitted toprovide direct estimates of the shear waves velocity, which prove much more reliable thanthe highly scattered estimates derived from the compilation of the availablegeological/geotechnical parameters and the use of existing correlations equations betweenSPT N-value and S-wave velocity Vs.

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