La complexité des ruptures dynamiques explique la variabilité azimutale observée dans le rayonnement des sources sismiques

Pourquoi certains petits séismes secouent plus fort dans certaines directions

Quand un tremblement de terre se produit, on imagine souvent des ondulations qui se propagent uniformément dans toutes les directions, comme des vagues créées par une pierre jetée dans un étang. En réalité, les secousses peuvent être beaucoup plus intenses dans certaines directions que dans d’autres, même pour des séismes relativement faibles. Cette étude porte sur des dizaines de petits séismes en Italie centrale et montre que leur comportement de rupture complexe en profondeur peut expliquer pourquoi certaines villes ressentent des secousses plus fortes, en particulier aux hautes fréquences importantes pour les bâtiments et les infrastructures.

Analyse détaillée de nombreux petits séismes italiens

Les chercheurs ont analysé 49 séismes de magnitude 3 à 5 survenus lors de séquences sismiques récentes en Italie centrale. Ces événements ont été enregistrés par au moins 80 stations chacun, offrant un réseau d’observations dense. En éliminant soigneusement les effets du trajet et des conditions locales du sol à partir des données, ils ont isolé ce qu’on appelle le « spectre source apparent » à chaque station : essentiellement, la façon dont le séisme a rayonné l’énergie à différentes fréquences dans chaque direction. Ils ont constaté que la fréquence caractéristique où le spectre s’infléchit (la « fréquence de coin ») et la vitesse à laquelle l’énergie décroît aux hautes fréquences varient considérablement selon la direction autour de chaque séisme.

Ruptures unilatérales et séismes plus homogènes

Pour illustrer ces comportements, l’équipe s’est concentrée sur deux événements représentatifs. Le premier montrait une forte directivité, c’est‑à‑dire que la rupture sur la faille a couru préférentiellement dans un sens, envoyant une secousse haute fréquence plus intense dans cette direction. Les stations situées le long de ce parcours avant ont enregistré des fréquences de coin plus élevées et une décroissance plus marquée aux hautes fréquences comparées à celles situées dans la direction opposée. Le deuxième événement, en revanche, a rayonné l’énergie de manière plus uniforme, avec des spectres similaires dans toutes les directions et une atténuation moins abrupte aux hautes fréquences. Sur l’ensemble des 49 séismes, les auteurs ont observé que, pour chaque station, des fréquences de coin plus élevées s’accompagnaient généralement d’une décroissance plus rapide aux hautes fréquences, révélant une relation robuste qui est souvent masquée lorsque les données sont moyennées sur les stations.

Simuler des ruptures complexes sur des failles réalistes

Pour expliquer ces observations, les chercheurs ont recours à des simulations numériques basées sur la physique de la rupture des failles. Plutôt que de traiter chaque séisme comme un glissement lisse et uniforme sur une faille simple, ils ont construit des milliers de modèles dans lesquels des propriétés clés de la faille — contrainte, résistance et vitesse d’affaiblissement lors du glissement — varient aléatoirement dans l’espace selon des lois statistiques réalistes. Ces failles « rugueuses » produisent des ruptures qui accélèrent, ralentissent et interagissent avec de petits patchs à contrainte élevée, générant des bouffées de glissement intense et une abondance d’ondes à haute fréquence. En ajustant l’amplitude des variations à petite échelle, ils ont pu reproduire non seulement la forme globale des spectres observés jusqu’à 25 hertz, mais aussi les différences directionnelles détaillées et le lien positif entre fréquence de coin et décroissance aux hautes fréquences.

De motifs simples à un spectre de comportements

Les simulations montrent que la forme spectrale familière dite « oméga‑carré », souvent supposée dans les modèles sismiques, n’apparaît que pour certains niveaux de complexité de la faille. Lorsque les propriétés de la faille sont presque uniformes, la rupture est lisse et l’énergie haute fréquence est trop faible. À mesure que l’hétérogénéité augmente, l’énergie aux hautes fréquences croît et les spectres ressemblent davantage à ce qui est mesuré pour les séismes italiens. Une hétérogénéité très forte peut produire une radiation haute fréquence particulièrement intense et des événements dont les spectres décroissent plus lentement que d’habitude dans toutes les directions. Surtout, les modèles montrent que la même physique sous‑jacente peut expliquer à la fois des événements fortement directifs et des événements plus symétriques, simplement en modifiant la quantité de complexité à petite échelle sur la faille.

Ce que cela signifie pour le risque et la prévention

Pour les non‑spécialistes, le message clé est que même les petits séismes ne sont pas des fissures simples mais des ruptures complexes qui peuvent diriger des secousses plus fortes vers certains endroits plutôt que d’autres. Cette étude démontre que des modèles réalistes fondés sur la physique et intégrant une complexité à petite échelle des failles peuvent reproduire les riches motifs directionnels observés dans les données réelles, y compris la façon dont différentes caractéristiques spectrales sont liées. En mieux capturant comment et où se produit l’énergie haute fréquence, de tels modèles peuvent améliorer les prévisions du mouvement du sol pour les séismes futurs. Ils fournissent ainsi des informations plus fiables pour les normes de construction et les évaluations de risque, aidant les communautés à mieux se préparer aux façons inégales et parfois surprenantes dont le sol peut vibrer.

Citation: Joshi, L., Gallovič, F. & Sgobba, S. Dynamic rupture complexity explains observed azimuthal variability in earthquake source radiation. Commun Earth Environ 7, 329 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03326-0

Mots-clés: rupture sismique, spectres sismiques, mouvement du sol, Italie centrale, risque sismique