Les ondes sismiques

I -Qu’est-ce qu’un séisme ?

C’est l’émission d’ondes dans la croûte terrestre résultant de la rupture des couches rocheuses dans le sol.

Un séisme est caractérisé par (fig 1):

Fig 1

Un foyer : lieu d’origine de la rupture des roches en profondeur.

Un épicentre : lieu de la surface terrestre situé exactement à la verticale du foyer, ou l’intensité du séisme est maximum.

Une magnitude : elle indique l’énergie libérée au foyer du séisme. L’échelle de Richter est une des échelles les plus utilisées pour mesurer la magnitude. Théoriquement sans limite, les valeurs les plus élevées  dépasse rarement 9.

Une intensité : elle correspond à l’évaluation des dégâts observés sur le terrain en un site donné. L’échelle la plus utilisée est l’échelle Mercalli  ou M.S.K graduée de I à XII. Un même séisme sera ressenti avec des intensités différentes selon la distance par rapport à l’épicentre et selon les caractéristiques locales, les effets du site (voir fig2). 

Fig2

Un événement sismique est caractérisé par sa brutalité et l’étendue de la région sinistrée qui peut atteindre plusieurs centaines de km2. Ainsi en quelques secondes des villes entières peuvent être détruites et faire de nombreuses victimes. Un séisme de magnitude 6 peut déjà faire de nombreuses victimes si l’épicentre se trouve à proximité d’un centre urbain.

L’échelle de Mercalli :

II Quelles sont les  causes des séismes ?

La croûte terrestre est constituée de plusieurs plaques évoluant les unes par rapport aux autres

Certaines coulissent l’une au dessus de l’autre, d’autres entrent en contact et se brisent en se rapprochant. 90% des séismes se produisent dans ces zones de rencontre des plaques (trait rouge sur la carte fig 3) 

                                                                          Fig 3

Alors qu’en profondeur les couches se déplacent régulièrement de quelques mm ou cm par an  A proximité de la surface les déplacements ne sont pas continus. La région bloquée accumule de l’énergie élastique jusqu’à céder brutalement .Le séisme résulte de cette libération brutale d’énergie.

III-Les différents types d’ondes sismiques

À la suite d'une fracture souterraine on observe la propagation d'ondes sismiques. Des plus rapides aux plus lentes on distingue principalement :

     - les ondes P ou premières qui sont des ondes de compression-dilatation (modèle du ressort) se propageant en volume (qui traversent la Terre) dans tous les milieux (solides ou liquides), leur vitesse croit avec la densité du milieu traversé ;
     - les ondes S ou secondes sont des ondes de cisaillement (modèle de la corde) qui se propagent aussi en volume, mais uniquement dans les solides (pas dans les liquides), leur vitesse croit avec la densité du milieu traversé ;
     - les ondes de surface qui sont les plus destructrices.

Les rais sismiques se réfléchissent et se réfractent quand ils changent de milieu de propagation (comme des rayons lumineux).

Le schéma suivant indique les types d’onde  et leur enregistrement (sismogramme)

IV La détection des ondes : le sismographe: :

Un sismographe est un instrument de mesure équipé d'un capteur des mouvements du sol, le sismomètre est capable de les enregistrer sur un support visuel, le sismogramme.

Les ondes qui sont enregistrées en premier par le sismographe sont celles qui sont arrivées le plus rapidement du foyer du séisme. On les appelle les ondes P (premières). Le second train d’onde représente les ondes S (secondes), plus lentes à se propager.
On enregistre également un troisième train d’onde, encore plus lentes, appelées les ondes L

Ces ondes ont les propriétés suivantes :

Ondes P : les plus rapides. Ondes longitudinales de compressions et de décompressions se déplaçant dans les solides et les fluides ;

Ondes S : les secondaires. Ondes transversales de cisaillement se déplaçant dans les solides (pas en milieu liquide) ;

Ondes L : ondes de surface. Les moins rapides, correspondent à un mouvement de torsion ;

V L’échelle de magnitude de Richter :

L’expression locale mathématique de la magnitude M dépend de l’amplitude A ( en mm) des ondes L et de la distance épicentrale D du lieu à l’épicentre (en km).

A₀ est une amplitude de référence et c une constante d’étalonnage qui varient  localement.et dépendent du sismographe utilisé.

Pour la Californie avec un sismographe particulier : logAo=2,6 et c=2,76.

Pour cette région, la relation précédente s’écrit alors :

La valeur de M peut être lue directement sur l’abaque ci-dessous :

VI L’énergie libérée :

C’est l’énergie libérée qui finalement caractérise le mieux la « force » du séisme.

La relation entre l’énergie et la magnitude est :

Si M=4 E=10⁶ J ;  si M=5 E=(10^0,5.10⁷)=3,16.10⁷=31,6.10⁶.J

Une augmentation de la magnitude de 1 unité correspond à une énergie environ 30 fois supérieure !

Si M=6 E=10⁹J

une augmentation de 2 unités de magnitude (M₂-M₁=DM=2) correspond à une énergie sismique 1000 fois plus importante (10³) .

Appliquons la formule précédente pour comparer des magnitudes et des énergies sismiques de différents séismes.

L’échelle des magnitudes (logarithmique) est certes plus commode à utiliser mais peut être

trompeuse lorsqu’on effectue une comparaison entre deux séismes.