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An empirical vertical-to-horizontal (V/H) spectral ratio model for shallow-crustal and upper-mantle earthquakes: insights from the S-net seafloor stations in the Japan Trench region

Cette étude présente un modèle empirique du rapport spectral vertical-horizontal (V/H) pour les mouvements du sol en mer dans la région de la fosse du Japon, dérivé des stations sous-marines S-net, qui révèle que les rapports V/H en mer sont significativement plus faibles que les valeurs terrestres en raison de l'atténuation par la couche d'eau et qu'ils sont fortement influencés par des facteurs tels que la distance de rupture, les conditions d'enfouissement et la classe de site.

Auteurs originaux : Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

Publié 2026-09-30

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Lorsqu'un séisme survient, le sol ne se contente pas de secouer de gauche à droite ; il donne aussi des coups verticaux vers le haut et vers le bas. Les ingénieurs qui conçoivent des bâtiments, des ponts et des plateformes offshore doivent tenir compte de ce mouvement vertical, car il peut être tout aussi destructeur que les secousses horizontales. Pour comprendre l'ampleur de cette force ascendante, les scientifiques étudient le rapport entre les secousses verticales et horizontales. Sur terre, cette relation est bien comprise, mais l'océan raconte une histoire différente. L'eau n'est pas un sol solide ; c'est une couche fluide qui repose entre la croûte terrestre et les capteurs placés sur le fond marin. Cette couche modifie la façon dont les ondes sismiques se propagent, atténuant souvent les secousses verticales d'une manière que les modèles terrestres ne peuvent prédire. Pendant des décennies, les ingénieurs concevant des structures offshore ont dû s'appuyer sur des règles empiriques terrestres, une pratique qui peut être soit trop conservatrice, soit dangereusement inexacte.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de remplacer ces suppositions par des données concrètes, en se concentrant sur le vaste réseau de capteurs connu sous le nom de S-net, qui borde le fond de la fosse du Japon. Cette région est un foyer de séismes puissants, où la croûte océanique plonge sous la plaque continentale. Les chercheurs ont recueilli des milliers d'enregistrements provenant de ces stations sous-marines, capturant les secousses provenant à la fois de séismes crustaux peu profonds et d'événements plus profonds dans le manteau supérieur. Ils ont soigneusement trié ces données, séparant les capteurs qui étaient enfouis dans des tranchées creusées dans le fond marin de ceux posés directement sur le fond de l'océan, et ils ont catégorisé le fond marin lui-même en fonction de la façon dont il vibre. En analysant la relation entre les secousses de haut en bas et de gauche à droite à travers cet immense ensemble de données, ils visaient à construire un nouveau modèle précis, spécifiquement conçu pour l'environnement océanique.

Les résultats ont révélé une différence claire et significative entre l'océan et la terre. Les secousses verticales mesurées sur le fond marin étaient systématiquement beaucoup plus faibles que celles observées sur terre, particulièrement pour les secousses rapides à haute fréquence qui se produisent dans la première fraction de seconde d'un séisme. La couche d'eau agit comme un filtre, absorbant une grande partie de cette énergie verticale avant qu'elle n'atteigne les capteurs. En fait, les secousses verticales en mer n'étaient souvent que la moitié de l'intensité des secousses verticales enregistrées sur terre pour le même séisme. Cette découverte suggère que l'utilisation de modèles terrestaux pour la conception offshore pourrait conduire à surestimer les forces verticales, entraînant potentiellement des structures inutilement coûteuses ou trop lourdes.

Au-delà de la confirmation que l'océan atténue le mouvement vertical, l'étude a mis en lumière la façon dont divers facteurs modifient cette relation. Les chercheurs ont découvert que la distance par rapport au séisme importe ; à mesure que les ondes sismiques voyagent plus loin à travers le fond océanique, le rapport entre les secousses verticales et horizontales a tendance à augmenter. La profondeur du séisme joue également un rôle, les séismes plus profonds présentant un profil de secousses verticales différent de celui des séismes plus superficiels. Peut-être plus important encore, l'étude a souligné que l'état de la station sur le fond de mer modifie les mesures. Les capteurs enfouis dans le fond marin ont enregistré des profils de secousses verticales différents de ceux posés sur le sédiment, surtout lors des secousses initiales et rapides. L'équipe a également développé une méthode pour classer les sites marins en fonction de leurs fréquences de vibration naturelles, permettant des prédictions plus précises de la manière dont différents types de fonds marins réagiront à un séisme.

Lorsque les chercheurs ont comparé leur nouveau modèle spécifique à l'océan aux modèles existants utilisés pour la terre, les différences étaient frappantes. Les modèles terrestres prédisaient des secousses verticales bien plus élevées que ce que les capteurs océaniques ont réellement enregistré. Cela confirme que la physique de l'environnement océanique ne peut être ignorée. Le nouveau modèle constitue un outil sur mesure pour les ingénieurs et les scientifiques, offrant une image réaliste de la façon dont le fond marin bouge lors d'un séisme. En comprenant que la couche d'eau réduit considérablement le choc vertical, et en tenant compte des conditions spécifiques du fond marin et de la distance par rapport au séisme, ce travail offre une base plus fiable pour la conception de structures offshore sûres et efficaces dans l'une des régions les plus sismiquement actives au monde.

Résumé technique : Un modèle empirique du rapport spectral vertical-horizontal (V/H) pour les séismes de la croûte superficielle et du manteau supérieur dans la région de la fosse du Japon

Énoncé du problème
Bien que les réseaux d'observation sismique en mer se soient développés mondialement, il existe un besoin pressant de dispositions de conception sismique spécifiques au milieu offshore. Des écarts significatifs existent entre les mouvements du sol en mer et sur terre, particulièrement concernant l'amplitude de la composante verticale et le rapport spectral vertical-horizontal (V/H). Des études antérieures indiquent que les mouvements du sol verticaux en mer sont systématiquement atténués par rapport aux mouvements terrestres, notamment dans la gamme des périodes courtes, en raison de l'effet de suppression de la colonne d'eau. Cependant, les modèles de prédiction V/H existants sont principalement dérivés d'enregistrements de mouvements forts sur terre. L'applicabilité de ces modèles terrestres aux environnements offshore est discutable, et les influences spécifiques de la source, du trajet et des conditions de site sur les rapports V/H en mer — utilisant particulièrement les données du vaste réseau S-net (Seafloor Observation Network for Earthquakes and Tsunamis) le long de la fosse du Japon — n'ont pas été suffisamment investiguées.

Méthodologie
Cette étude développe un modèle empirique du rapport spectral V/H pour les séismes de la croûte superficielle et du manteau supérieur dans la région de la fosse du Japon, en utilisant 9 892 enregistrements de mouvements du sol provenant de 150 stations océaniques S-net. La méthodologie a impliqué les étapes suivantes :

Traitement et sélection des données : Les enregistrements ont été filtrés pour exclure les capteurs présentant un angle de rotation > 0,1°, des erreurs de forme d'onde ou un faible rapport signal sur bruit (SNR < 3) dans la plage 0,1–20 Hz. Seuls les événements avec $M_w \ge 4,0$ et au moins trois enregistrements à trois composantes de haute qualité ont été conservés.
Classification du site : En raison de l'indisponibilité des données conventionnelles $V_{S30}$ pour les stations de fond de mer, l'étude a utilisé un schéma de classification de site (SC1–SC4) basé sur la fréquence prédominante ( $T_n$ ) identifiée via la méthode du rapport spectral horizontal-vertical (HVSR). Les stations ont été classées davantage par conditions d'enfouissement (enfouies dans des fosses à une profondeur < 1500 m contre non enfouies sur le fond marin à > 1500 m de profondeur).
Formulation du modèle : Un modèle empirique a été construit à l'aide d'une approche de régression à effets aléatoires. La forme fonctionnelle comprend :
- Terme de source : Intègre la magnitude de moment ( $M_w$ ), la profondeur focale ( $h$ ) et le mécanisme de faille (normale, inverse, décrochante). Un terme de magnitude linéaire a été sélectionné sur la base de la régression.
- Terme de trajet : Caractérise la divergence géométrique en utilisant la distance de rupture ( $R_{rup}$ ). L'étude a examiné un terme d'interaction magnitude-distance mais l'a exclu du modèle final en raison d'une signification statistique incohérente selon les périodes et afin de maintenir la parcimonie du modèle.
- Terme de site : Trois formulations ont été testées à l'aide du critère d'information d'Akaike (AIC). La formulation optimale utilisait des indicateurs de classe de site ( $SC_i$ ) et des indicateurs de condition d'enfouissement ( $S_b, S_u$ ) multipliés par le logarithme népérien de la fréquence fondamentale du site.
Validation : La performance du modèle a été évaluée par des analyses de résidus entre événements ( $\tau$ ) et au sein des événements ( $\sigma$ ). Le modèle a également été comparé aux modèles V/H terrestres établis (Bommer et al., 2011 ; Pezeshk et al., 2022 ; Tan et Hu, 2021).

Contributions clés et résultats
L'étude produit un modèle de prédiction V/H régionalisé et plusieurs conclusions clés concernant les caractéristiques des mouvements du sol en mer :

Discrépance offshore vs onshore : Les rapports spectraux V/H en mer sont généralement nettement inférieurs aux rapports terrestres, particulièrement dans la gamme des périodes courtes. Les valeurs V/H en mer se situent typiquement entre 0,15 et 0,50, soit environ la moitié des valeurs terrestres. Cela soutient l'hypothèse selon laquelle la couche d'eau atténue les composantes verticales à haute fréquence.
Effets de la magnitude et de la profondeur focale : L'effet de la magnitude de moment présente une dépendance claire à la période. La profondeur focale montre un effet d'atténuation principalement dans les gammes de périodes intermédiaires et longues ( $T > 0,12$ s), où les rapports V/H diminuent à mesure que la profondeur augmente.
Distance de rupture et effets de trajet : Les rapports V/H en mer ont tendance à augmenter avec l'augmentation de la distance de rupture. Cette dépendance à la distance devient plus prononcée aux périodes plus longues ( $T > 1,0$ s).
Conditions d'enfouissement : Les conditions d'enfouissement des stations exercent une influence significative. Pour les périodes $T < 0,7$ s, les stations enfouies présentent généralement des rapports V/H plus élevés que les stations non enfouies. Inversement, pour $T > 1,0$ s, les rapports V/H diminuent progressivement de la classe de site SC1 à SC4, quelle que soit la condition d'enfouissement.
Mécanisme de faille : Les événements de faille normale produisent généralement des rapports V/H plus élevés que les événements de failles inverses ou décrochantes.
Performance du modèle : Le modèle proposé démontre de faibles écarts-types intra-événement et totaux. L'analyse des résidus confirme que le modèle est non biaisé par rapport à la magnitude, la profondeur focale, la distance de rupture et les paramètres de classification de site utilisés.

Signification
L'article affirme que le modèle empirique proposé fournit une référence nécessaire pour l'évaluation de l'aléa sismique offshore et la conception sismique des structures en mer, en traitant spécifiquement la composante verticale du mouvement du sol. L'étude démontre que les modèles de prédiction V/H terrestres surestiment systématiquement la proportion du mouvement du sol vertical en milieu offshore, particulièrement pour les mesures à haute fréquence comme la PGA. Par conséquent, les auteurs concluent que les modèles terrestres ne peuvent pas être directement appliqués à l'ingénierie offshore sans modification. Le modèle développé, fondé sur l'important ensemble de données S-net, offre une base plus précise pour prédire les rapports spectraux V/H en mer en tenant compte explicitement des effets uniques de source, de trajet et de site de la région de la fosse du Japon.

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