Onde sismique

Les ondes sismiques, ou ondes élastiques, sont des mouvements vibratoires qui se propagent à travers un milieu matériel et peuvent le modifier irréversiblement si leur amplitude est suffisante. Elles sont engendrées par un événement initial, généralement un séisme. L'impulsion de départ déplace les atomes du milieu, qui en poussent d'autres avant de reprendre leur place, ces déplacements oscillatoires se propageant ensuite de proche en proche. Un séisme émet des ondes sismiques dans toutes les directions.

Différentes ondes sismiques.

La physique des milieux élastiques est régie par l'équation de Navier, qui implique l'existence de deux grands types d'ondes, mises en évidence expérimentalement : les ondes de volume qui traversent la Terre et les ondes de surface (ondes L) qui se propagent dans une couche d'épaisseur limitée sous la surface terrestre. Les ondes de volume se subdivisent par ailleurs en ondes longitudinales (ondes P) et transversales (ondes S). Sur les enregistrements des sismographes, les ondes P, S et L se succèdent ou se superposent. Leur vitesse de propagation et leur amplitude sont modifiées par les structures géologiques qu'elles traversent ; c'est pourquoi les signaux enregistrés sont la combinaison d'effets liés à la source, aux milieux traversés et aux instruments de mesure.

Les différents types d'ondes

Le sismologue Richard Dixon Oldham identifie les ondes P et S en 1910 en étudiant le séisme d'Assam (en) de 1898. En différenciant dans ces sismogrammes deux types d'ondes sismiques, il met en évidence une zone d'ombre et en déduit l'existence d'une structure distincte du manteau terrestre, à savoir le noyau liquide[1].

Ondes de volume

Elles se propagent à l'intérieur du globe. Leur vitesse de propagation dépend du matériau traversé et, d'une manière générale, elle augmente avec la profondeur car le matériau traversé devient plus rigide. Pour un matériau donné, la masse volumique augmente généralement moins vite avec la pression que la rigidité, ce qui se traduit par une corrélation positive simplement apparente entre la masse volumique et la vitesse .

On distingue :

  • les ondes P ou ondes primaires appelées aussi ondes de compression ou ondes longitudinales (ondes P car ondes de Pression). Le déplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par des dilatations et des compressions successives. Ces déplacements du sol sont parallèles à la direction de propagation de l'onde. Elles se propagent dans tous les milieux et sont les plus rapides (6 km⋅s-1 près de la surface), parcourant le chemin le plus court, même par noyau terrestre, et sont donc les premières enregistrées sur les sismogrammes. Elles sont responsables du grondement sourd que l'on peut entendre au début d'un tremblement de terre.
  • Onde P plane.
  • Onde P sphérique.
  • les ondes S ou ondes secondaires appelées aussi ondes de cisaillement (shear waves, d'où ondes S) ou ondes transversales. À leur passage, les mouvements du sol s'effectuent perpendiculairement au sens de propagation de l'onde. Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides, elles sont en particulier arrêtées par le noyau externe de la Terre. Leur vitesse est de 4,06 km⋅s-1. Elles apparaissent en second sur les sismogrammes.
  • Onde S plane
  • Onde S sphérique
Ondes P et S se séparant avec la propagation.

La différence des temps d'arrivée des ondes P et S suffit, connaissant leur vitesse, à donner une indication sur l'éloignement du séisme. On peut ainsi localiser son épicentre à l'aide de trois sismogrammes.

Les ondes de corps se propagent comme toutes les ondes, et en particulier comme les rayons lumineux : elles peuvent être réfléchies ou réfractées, c'est-à-dire déviées à chaque changement de milieu, au passage manteau-noyau par exemple. Elles peuvent ainsi suivre des trajets très complexes à l'intérieur de la Terre. Leur temps de parcours dépend de ce trajet, elles n'arrivent pas toutes en même temps au même endroit.

Ondes de surface

Ce sont des ondes guidées par la surface de la Terre, comme les rides formées à la surface d'un lac. Elles sont moins rapides que les ondes de volume ; leur amplitude en surface est généralement plus forte, mais décroît rapidement avec la distance à la surface qui les guide.

On peut distinguer :

  • les ondes de Love, découvertes par Augustus E. Love en 1911. Leur déplacement est comparable à celui des ondes S mais sans le mouvement vertical. Elles provoquent un ébranlement horizontal à l'origine de nombreux dégâts aux fondations des édifices qui n'ont pas été construits selon des normes parasismiques. Les ondes de Love se propagent à environ 4 km/s ;
  • les ondes de Rayleigh, découvertes par John W. Rayleigh en 1885. Leur déplacement est complexe, assez semblable à celui d'un objet au sein d'une vague.

Nomenclature
Diagramme de rais : différents trajets d'ondes et codes associés.

Les différentes ondes de volume enregistrées par un sismomètre sont désignées par un code associé au diagramme de rais (figure)[2].

Une lettre majuscule correspond à une onde d'un certain type se propageant dans un certain milieu, une lettre minuscule correspond à une réflexion sur une certaine interface :

P onde P se propageant dans le manteau
S onde S se propageant dans le manteau
K onde P se propageant dans le noyau externe
I onde P se propageant dans le noyau interne
J onde S se propageant dans le noyau interne
c réflexion à l'interface manteau/noyau externe
i réflexion à l'interface noyau externe/noyau interne

Un rai sismique est ainsi défini en combinant ces lettres. Par exemple, une onde qui réalise le chemin PKP correspond à une onde P qui s'est propagée dans le manteau, puis dans le noyau externe pour ensuite retourner dans le manteau.

Notes et références
  1. (en) R.W. Carlson, The Mantle and Core : Treatise on Geochemistry, Elsevier, , p. 549
  2. « Nomenclature des sismologues pour identifier les ondes — Planet-Terre », sur planet-terre.ens-lyon.fr (consulté le )

Voir aussi

Articles connexes

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