« Les structures des bâtiments influencent les ondes sismiques »

Les bâtiments construits par l’homme sont particulièrement menacés par les tremblements de terre. Les vagues sismiques peuvent non seulement provoquer de grandes destructions, mais elles sont également influencées par les structures urbaines elles-mêmes. Par exemple, des expériences dans un parc éolien près de Berlin ont montré que les ondes sismiques de surface peuvent être atténuées à certaines fréquences. Un tel effet métamatériau est déjà connu dans d’autres domaines de la physique ; Les ondes lumineuses ou sonores peuvent être déviées ou superposées de manière particulière. Marco Pilz du Centre de recherche allemand en géosciences GFZ à Potsdam raconte dans une interview avec World of Physics comment les expériences dans le parc éolien se sont déroulées et ce que les résultats contribuent au débat sur l’Anthropocène.

Monde de la Physique : Quel rôle jouent les structures urbaines dans la propagation des tremblements de terre ?

Marco Pilz : Les structures urbaines sont particulièrement exposées aux risques sismiques. Les vagues dites de Rayleigh sont généralement les plus dangereuses : elles courent à la surface et sont comparables aux vagues d’eau. Ils peuvent avoir une très grande amplitude qui ne diminue que lentement avec la distance. C’est pourquoi les ondes de Rayleigh – provenant d’un très fort tremblement de terre – peuvent même parcourir plusieurs fois la terre entière. Bien que les tremblements de terre puissent faire vibrer et détruire les structures urbaines, il existe également un effet inverse : les bâtiments peuvent refléter les ondes sismiques entrantes ; Sous certaines conditions, ces oscillations naturelles peuvent alors s’affaiblir.

Comment se produit cet effet ?

Lorsque les ondes de surface frappent un bâtiment ou une structure similaire, le bâtiment absorbe l’énergie. Si la fréquence de l’onde de surface correspond à la fréquence de résonance du bâtiment, celle-ci émet une onde dite secondaire. Si des structures ayant des fréquences de résonance très similaires sont suffisamment proches les unes des autres, ces ondes peuvent se chevaucher avec les ondes entrantes de telle manière qu’une interférence destructrice se produit. Cela signifie que certaines fréquences sont annulées. Les fréquences dépendent de la hauteur des structures. Nous appelons également ce phénomène un effet métamatériau.

Que sont les métamatériaux ?

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels dans lesquels la perméabilité aux différents types d’ondes diffère de celle des matériaux naturels. Ceci est réalisé grâce à des structures spécialement fabriquées et disposées : celles-ci provoquent l’annulation, le chevauchement ou la déviation des ondes dans certaines plages de fréquences. Jusqu’à présent, ces métamatériaux ont été développés principalement pour les ondes lumineuses et sonores. Par exemple, les ondes lumineuses peuvent être dirigées autour d’un objet, créant une sorte d’effet d’invisibilité. Cependant, l’analogie avec les ondes sismiques n’est que d’une utilité limitée. Parce qu’avec la lumière et le son, vous avez affaire à de très petites longueurs d’onde. Les structures qui peuvent être utilisées pour influencer la propagation sont donc petites. La situation est différente avec les ondes sismiques et les structures urbaines. Et le type d’ondes est également différent : la lumière et le son se propagent dans l’espace. En revanche, le type d’ondes sismiques que nous avons étudiées – les ondes de Rayleigh – se propagent le long de la surface. Mais des études théoriques ont montré que l’effet métamatériau se produit également pour les ondes sismiques de surface. Nous avons maintenant examiné cela de plus près dans un parc éolien.

Comment vous est venue l’idée d’étudier l’effet dans un parc éolien ?

Il y a quelques années, des collègues français ont étudié cet effet dans une forêt où des arbres de même hauteur étaient à distance régulière les uns des autres. Les chercheurs y ont enregistré de légères vibrations naturelles du sol qui ne sont pas générées par les tremblements de terre, mais par la météo, le flux et le reflux de la marée ainsi que par les activités humaines telles que la circulation ou l’industrie. A cette époque, les groupes de recherche avaient démontré l’effet métamatériau pour des fréquences autour de 50 Hertz. Mais ce n’est pas vraiment la gamme de fréquences des ondes sismiques qui nous intéresse en fin de compte. Nous avons donc recherché des structures artificielles plus grandes et relativement simples. Un parc éolien était une évidence.

Et qu’avez-vous fait dans le parc éolien alors ?

Nous avons examiné un parc éolien à Nauen, près de Berlin. Les mâts individuels mesurent environ 100 mètres de haut et sont disposés régulièrement. Il faut dire que cette régularité n’est en réalité pas nécessaire pour les métamatériaux : il suffit que les résonateurs soient suffisamment proches les uns des autres. C’était à peu près le cas avec une distance de 200 à 400 mètres. Nous avons ensuite installé un maillage de 400 stations de mesures sismiques sur ce parc éolien afin de pouvoir étudier la propagation des ondes sur l’ensemble du parc éolien. À titre de comparaison, nous avons également installé des appareils de mesure à l’extérieur du parc éolien. Nous avons ensuite enregistré les vibrations naturelles et toujours présentes de la surface sur une période de deux semaines, mais nous n’avons généré aucune vibration nous-mêmes. Pour certaines fréquences – à savoir 0,25 Hertz, 1,4 Hertz et 13 Hertz – nous avons constaté une nette différence dans la propagation des ondes à l’intérieur et à l’extérieur du parc éolien : les ondes à ces fréquences étaient affaiblies.

Ces résultats peuvent-ils également être utilisés pour dire quelque chose sur les tremblements de terre ?

Oui, car lors d’un séisme les fréquences des ondes sismiques de surface sont similaires, les vibrations ont simplement une plus grande amplitude. Si vous deviez réaliser l’expérience dans une région où le risque sismique est plus élevé, vous constateriez la même chose. Nous n’avons pas prévu une telle expérience pour le moment, mais ce serait très excitant.

A l’inverse, cela signifie-t-il que les villes pourraient être construites de manière à être mieux protégées contre les tremblements de terre ?

En théorie, oui. En pratique, probablement pas. Nos villes existent déjà et il ne sera pas possible de les reconstruire pour les rendre parasismique. Il pourrait être concevable qu’une sorte de structure de protection soit construite autour de certains bâtiments particulièrement dignes d’être protégés.

Quelle autre signification vos résultats ont-ils ?

Dans le passé, on a toujours supposé que les ondes sismiques n’étaient pas influencées par l’homme. Nous avons montré que c’est effectivement le cas. Cela a des implications pour notre compréhension de l’Anthropocène, c’est-à-dire l’époque géologique au cours de laquelle les humains ont eu une influence croissante sur la Terre. Jusqu’à présent, cela signifiait principalement l’influence de l’homme sur le climat de la Terre. Cependant, selon nos découvertes, nous devons élargir le terme pour inclure une dimension : les humains influencent également la propagation des ondes sismiques en construisant des structures.

Sur quoi souhaitez-vous enquêter ensuite ?

Jusqu’à présent, nous avons eu affaire à un parc éolien à la structure relativement simple. La prochaine étape consisterait alors à s’intéresser de plus près aux zones urbaines. Celles-ci sont bien entendu beaucoup plus complexes : les bâtiments sont de hauteurs différentes, ont des plans et des distances différents. Nous souhaitons étudier comment une ville réelle influence le champ d’ondes sismiques, d’abord avec des modèles informatiques, puis avec des mesures. Cependant, nous n’avons pas encore décidé où nous effectuerons ces mesures.