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Les différents types d'ondes sismiques

Un séisme génère plusieurs types d'ondes sismiques, qui ont chacune des caractéristiques différentes

Qu'est-ce qu'un séisme?

Un séisme est un événement géologique au cours duquel des contraintes plus ou moins fortes déclenchent une rupture au sein d'un matériau rocheux, ce qui conduit à une brusque libération d'énergie.

Une partie significative de l'énergie d'un séisme va se dégager sous la forme d'ondes sismiques, qui vont se propager dans toutes les directions de l'espace à l'intérieur du globe terrestre, mais aussi à sa surface.

Formation d'un séisme (© IPGP/David Ducros)Formation d'un séisme (© IPGP/David Ducros).

Ces ondes sont similaires à celles aux rides qui se forment lorsque l'on s'amuse à lancer un galet dans une mare ou un lac : elles naissent en un point, puis s'étalent en surface en créant une multitude de rides, dont la hauteur (l'amplitude) va progressivement en décroissant. Lorsqu'un séisme se produit, des rides similaires apparaissent autour du foyer. Cependant, contrairement à notre exemple, elles ne se déplacent par sur un plan, mais dans les trois dimensions de l'espace.

Le front d'ondes généré par un séisme va immédiatement rencontrer du matériel rocheux, qui va alors se déformer, mais de manière temporaire. Lorsque l'onde sismique s'éloigne, les matériaux déformés retrouvent leur état d'équilibre. A proximité de la source, celui-ci peut être différent de la situation avant le séisme, en raison de la déformation générée par la faille qui a joué. Mais à plus grande distance, la position d'équilibre des matériaux est quasiment la même qu'avant le séisme. Dans le langage des géophysiciens, cette déformation réversible est qualifiée d'élastique.

Représentation schématique d'une onde sismique (© IPGP/David Ducros).Représentation schématique d'une onde sismique. Notion d'amplitude, de période, fréquence, et de direction de propagation  (© IPGP/David Ducros).

Les ondes sismiques sont classées en deux grandes familles : celles qui voyagent à l'intérieur d'une planète, et qui sont parfois en position de traverser le globe terrestre de part en part, noyau métallique y compris, et celles qui circulent uniquement en surface, sans volonté aucune de s'enfoncer dans le sous-sol.

Onde de volume et onde de surface (© IPGP/David Ducros).Onde de volume et onde de surface (© IPGP/David Ducros).

Ondes de volume P et S

Principe de propagation d'une onde P (IPGP/David Ducros).Principe de propagation d'une onde P (IPGP/David Ducros).

Dans la catégorie des ondes sismiques dites de volume, capables de se propager dans les profondeurs d'un globe planétaire, comme la Terre ou Mars, les géophysiciens distinguent deux types : les ondes P ou primaires, appelées ainsi parce qu'elles arrivent en premier sur les sismomètres lorsqu'un séisme se produit, et les ondes S ou secondaires, qui voyagent derrière les ondes P, et qui parviennent donc toujours en seconde position aux stations d'écoute.

Si les ondes P parviennent toujours en pôle position sur les sismomètres, c'est qu'elles sont les plus rapides. Elles se déplacent en effet assez vite (de 6 à 14 kilomètres par seconde en moyenne), et peuvent traverser n'importe quel matériau, que celui-ci soit solide ou liquide. Plus le milieu est dense, plus leur vitesse s'accélère. Au contraire, plus la densité diminue, comme à proximité de la surface, et plus elles ralentissent.

Les ondes S sont plus lentes que les ondes P (de 4 à 6 kilomètres par seconde en moyenne), et surtout elles détestent les liquides, qu'elles ne peuvent traverser. La partie externe du noyau métallique de la Terre, qui est liquide, constitue donc pour elles une barrière infranchissable.

En mesurant la vitesse des ondes P et S associées à un séisme, et en calculant le temps qui sépare l'arrivée du front d'onde P du front d'onde S au niveau d'une station sismique donnée, il est possible d'estimer la distance qui sépare la dite station du foyer sismique. En combinant les données enregistrées par au moins trois stations sismiques, l'épicentre peut être de plus localisé avec précision.

Principe de propagation d'une onde S (IPGP/David Ducros).Principe de propagation d'une onde S (IPGP/David Ducros).

Les ondes sismiques P et les ondes sismiques S ne déforment pas les roches de la même façon. Lorsqu'un matériau rocheux voit arriver sur lui un front d'onde P, il va subir une déformation de type compression/extension, avant de retrouver sa forme initiale.

Le cycle de dilatation/compression auquel les roches sont soumises prend place parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Une fois celle-ci passée, le matériel reprend sa forme initiale. Il est possible d'observer facilement l'effet de la propagation d'une onde P en étirant puis en lâchant (prudemment !) un ressort. La vague qui parcourt les différents anneaux du ressort est une onde de compression/dilatation, donc de type P.

Au contraire, les ondes S provoquent des cisaillements, qui ont lieu perpendiculairement à la direction dans laquelle l'onde voyage. Pour en simuler une, il suffit de se procurer une couverture ou d'un tapis que l'on souhaite dépoussiérer : les ondes S sont identiques à la vague qui se déplace sur le tapis lorsque celui-ci est vivement secoué à une extrémité.

Ondes de surface

Principe de déplacement d'une onde de surface (© IPGP/David Ducros)Principe de déplacement d'une onde de surface (© IPGP/David Ducros).

La seconde famille d'ondes est celle des ondes dites de surface. Comme leur nom l'indique, ces ondes ne circulent qu'en surface, en suivant le sol. Elles sont un peu moins véloces que les ondes de volume S dont nous venons de parler (jusqu'à 4 km/s seulement en moyenne), mais possèdent des amplitudes plus grandes. Elles peuvent occasionner des dégâts très importants sur leur passage, et ce sont elles qui sont responsables des destructions massives qui accompagnent souvent les séismes les plus violents.

Là encore, les géophysiciens en distinguent deux types principaux : les ondes de Rayleigh, et les ondes de Love.

Onde de Rayleigh (© IPGP/David Ducros).Onde de Rayleigh (© IPGP/David Ducros).

L'onde de Rayleigh se déplace de façon complexe. Sur Mars, elles seront mises à profit par la sonde InSight pour localiser les séismes, ce qui est impossible pour un réseau sismique constitué d'une seule station qui n'écouterait que les ondes de volume.

Contrairement aux réseaux d'écoutes terrestres, constitués de milliers de stations, le sismomètre SEIS déposé au sol par InSight sera effectivement seul sur la planète rouge. Grâce aux ondes de Rayleigh, en particulier celles qui seront suffisamment énergétiques pour pouvoir faire un tour complet de la planète, SEIS pourra déterminer la vitesse de propagation sans avoir besoin de connaître la position du séisme. La stratégie sera tout simplement de détecter la première arrivée de l'onde de surface, puis de mesurer à nouveau celle-ci après qu'elle ait effectué un tour complet de la planète. La circonférence de Mars étant connue, la différence entre les deux temps de passe permettra de calculer la vitesse de propagation de l'onde de surface de Rayleigh.

Onde de Love (© IPGP/David Ducros).Onde de Love (© IPGP/David Ducros).

Quant aux ondes de surface de Love, elles ressemblent en un peu plus simple aux ondes de volume secondaires (ondes S). Sur Terre, les ondes de Love sont responsables de la majeure partie des dégâts causés par des tremblements de terre violents. La façon dont elles se déplacent leur confère une grande capacité de nuisance, en particulier pour tous les bâtiments et édifices non conçus pour résister aux secousses sismiques.

Ondes courte période et onde longue période

En plus de leur classification en ondes de volume et en ondes de surface, les ondes sismiques sont aussi caractérisées par leur période, qui peut être longue ou courte.

Pour comprendre cette notion, nous pouvons essayer de nous représenter une onde sismique comme une vague parcourant le sol. A l'arrivée de l'onde, la surface du sol se déforme et se met à monter, jusqu'à parvenir à un point d'amplitude maximal, ou elle va alors commencer à redescendre, pour finalement retrouver son niveau initial et sa planéité.

 Onde sismique de haute fréquence (© IPGP/ETHZ).Onde sismique de haute fréquence (© IPGP/ETHZ).

Pour une onde à courte période (que les géophysiciens qualifient aussi de haute fréquence), la montée et la descente vont se produire rapidement, par exemple en moins d'une seconde. Au contraire, pour une onde à longue période (appelée aussi basse fréquence), le sol va monter lentement, par exemple durant une minute, puis redescendre tout aussi lentement, là aussi sur une minute.

Onde sismique de fréquence moyenne (© IPGP/ETHZ).Onde sismique de fréquence moyenne (© IPGP/ETHZ).

Pour pouvoir mesurer avec précision ces deux types d'ondes, à courte et longue période, les géophysiciens mettent en oeuvre des sismomètres adaptés, dits à courtes ou longues périodes. Plus un sismomètre est sensible à une large gamme de périodes, plus sa bande passante est élevée, et il est alors appelé "large bande" par les sismologues.

Onde sismique de basse fréquence (© IPGP/ETHZ).Onde sismique de basse fréquence (© IPGP/ETHZ).

De manière à maximiser le retour scientifique, le sismomètre d'InSight embarque deux types de sismomètre. L'un, qui constitue le coeur de l'instrument SEIS, est un sismomètre très large bande. Surtout sensible aux ondes de longue période, il est couplé avec un second sismomètre à courte période (SP), qui étend donc ses capacités d'écoute dans le domaine des ondes courtes.

Echographie planétaire

Propagation des ondes sismiques à l'intérieur du globe martien (© IPGP/David Ducros).Propagation des ondes sismiques à l'intérieur du globe martien (© IPGP/David Ducros).

Les ondes sismiques présentent un intérêt majeur en géologie. A l'image du stéthoscope qu'un médecin utilise pour écouter l'activité des organes internes d'un patient, ou de l'échographie, capable de fournir une image d'un nourrisson dans le ventre de sa mère, l'écoute des vibrations émises par la Terre par le maillage très dense des réseaux de sismomètre permet de pénétrer dans l'intimité profonde de notre planète, un domaine par ailleurs inaccessible de façon directe.

Les ondes sismiques générées par un séisme se comportent comme des rayons lumineux. Lorsqu'elles frappent un milieu donné, elles peuvent en effet être réfléchies dans une autre direction, un peu comme face à un miroir, ou réfractées, c'est à dire à la fois déviées et ralenties.

Emises à partir du point central d'un séisme, le foyer, les ondes vont partir dans toutes les directions et adopter des trajectoires plus ou moins complexes. En fonction des structures géologiques qu'elles vont rencontrer sur leur passage et que l'on peut voir comme autant d'obstacles, elles vont arriver avec des temps d'arrivée variables sur les multiples stations sismiques réparties à la surface de notre globe.

Un dépouillement minutieux des données recueillies permet aux géophysiciens de retracer leur parcours, et de comprendre ce qui s'est trouvé sur leur chemin dans les profondeurs du globe. C'est ainsi que l'on a découvert que la Terre, loin d'être une boule rocheuse homogène, possédait une structure interne complexe, avec du centre vers la périphérie, un noyau métallique (dont une partie est liquide), un manteau visqueux et enfin une croûte rocailleuse très fine.

Dernière mise à jour : 17 avril 2018

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