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Les ondes sismiques Lycée

Les ondes sismiques

La brusque rupture d’une faille ou d’un segment de faille provoque des vibrations qui se propagent de proche en proche à travers les roches : ce sont les ondes sismiques. Lorsqu’elles arrivent en surface, ces ondes font subir au sol un mouvement d’oscillation qui, selon son amplitude et sa fréquence, pourra occasionner des dommages aux constructions.

Ondes P et ondes S

P_et_S

Les deux principales ondes élastiques engendrées par un tremblement de Terre s’observent très facilement sur les enregistrements des stations proches.

L’onde P, qui s’est propagée à une vitesse de l’ordre de 6 km par seconde, arrive la première. D’amplitude modérée, elle occasionne un mouvement vertical du sol, moins perceptible que celui accompagnant l’onde S. Elle donne parfois lieu à des manifestations sonores (« coup de canon » pour un séisme profond à courte distance, « grondement sourd » à plus grande distance).

L’onde S arrive après l’onde P, car sa vitesse de propagation est plus faible, de l’ordre de 3.5 km/s. Son amplitude et ses périodes caractéristiques sont plus grandes que celles de l’onde P. Elle s’accompagne d’un mouvement horizontal de cisaillement du sol, fortement ressenti.

Dans certains cas, les personnes habituées à ressentir des séismes pourront estimer leur distance (en kilomètres) par rapport au foyer, en multipliant par 8 l’intervalle de temps (en secondes) entre le bruit de l’onde P et le mouvement horizontal de l’onde S. C’est un calcul similaire à celui de la distance qui nous sépare d’un orage, à partir de l’intervalle de temps entre éclair et tonnerre.

Les ondes sismiques sont des vibrations de type élastique, qui peuvent être réparties en deux grandes familles : les ondes P, ou primaires, et les ondes S, ou secondaires. On les appelle ondes de volume, car elles se propagent dans tout le volume de la Terre. Sur le passage des ondes P, les roches sont alternativement comprimées et détendues comme un ressort. Ces ondes se propagent à travers tous les types de milieux, y compris les liquides et les gaz. Les ondes sonores, en particulier, sont des ondes de type P. Les ondes S, elles, sont des ondes cisaillantes : les matériaux traversés sont distordus puis retrouvent leur forme initiale. Ces ondes ne peuvent donc se propager que dans les milieux qui offrent une résistance à la distorsion, c’est-à-dire les solides.

Plus rapides que les ondes S, les ondes P sont les premières observées sur un enregistrement, ou ressenties à proximité d’un séisme. Elles sont suivies par les ondes S, qui ont une amplitude plus importante et des fréquences plus basses.

Il existe également des ondes dites de surface, ainsi nommées car leur trajet se déroule uniquement dans les couches superficielles de la Terre. Elles sont produites par interférence d’ondes de volumes P et S. A grande distance, ou dans le cas de séismes proches de la surface, ce sont elles que l’on voit le mieux sur les enregistrements.

Les dégâts infligés aux constructions lors d’un séisme peuvent avoir des causes directes et évidentes, comme l’ouverture d’une crevasse sous un bâtiment, mais c’est en général le passage d’ondes sismiques de type S (ou de surface) qui provoque des oscillations horizontales du sol dommageables aux structures.

effet_site

Intuitivement, on s’attend à ce que l’éloignement soit la meilleure protection contre un séisme, et le plus souvent les mouvements du sol s’atténuent effectivement avec la distance au foyer. Mais dans bien des cas, la vulnérabilité des constructions est accrue par leur emplacement, ou leurs caractéristiques géométriques et mécaniques.

En premier lieu, on observe des phénomènes très locaux d’amplification ou d’atténuation des mouvements sismiques : ce sont les effets de site. La nature des sols joue par exemple un rôle fondamental : un sol meuble (alluvions, sédiments mal consolidés) pourra amplifier considérablement les mouvements par rapport à un socle rocheux. On constate par ailleurs des effets topographiques : les mouvements sont beaucoup plus forts sur les reliefs (collines) que dans les vallées (si elles ne sont pas remplies d’alluvions).

En second lieu, on peut observer des phénomènes de résonance. En effet, tout bâtiment possède une fréquence propre d’oscillation,qui dépend de ses caractéristiques géométriques (sa forme) et mécaniques (sa rigidité, sa masse). Au passage d’ondes sismiques, il réagira très différemment selon les fréquences dominantes de ces ondes. En particulier, si ces fréquences sont proches de sa fréquence propre, il court le risque d’entrer en résonance, c’est-à-dire de voir ses mouvements amplifiés de façon importante, voire dramatique. Ainsi, lors du séisme de Michoacan de septembre 1985, on a pu voir certains immeubles de Mexico entrés en résonance se cogner les uns aux autres. Il faut malheureusement préciser que les ondes S présentent très souvent des fréquences dominantes proches des fréquences de résonance des bâtiments.

Résonance

resonance

De façon générale, plus un bâtiment est haut, plus il est sensible aux basses fréquences de vibration du sol. Ainsi que le représente l’animation ci-contre, une maison d’un ou deux étages (fréquence propre : 5 Hz) n’aura pas le même comportement qu’un immeuble de dix étages (fréquence propre : 1 Hz).

Pour terminer sur une note un peu plus optimiste, reconnaissons l’utilisation positive qui est faite des séismes dans le cadre de la sismologie. Cette science exploite les tremblements de terre comme source d’ondes sismiques, comme l’optique exploite le soleil, une lampe ou un laser comme source lumineuse, et s’attache à l’étude de ces ondes.

Les ondes sismiques engendrées par les gros séismes peuvent traverser la Terre de part en part en conservant suffisamment d’énergie pour être enregistrées et décryptées à la surface. C’est grâce à la sismologie que l’on connaît avec précision la structure interne du globe.

La Terre au scanner

rais

Lorsqu’un séisme se produit, une partie de l’énergie libérée prend la forme d’ondes élastiques qui se propagent à travers la Terre, la traversant de part en part comme un rayon lumineux traverse une boule de cristal.

Depuis la fin du XIXème siècle, on sait enregistrer ces ondes à la surface. Lorsqu’elles émergent, elles sont chargées d’informations sur les régions visitées : la durée de leur trajet, leur amplitude, leur contenu fréquentiel, la façon dont elles mettent les particules en mouvement apportent des indices fondamentaux sur la géométrie et la composition des couches traversées.

La sismologie est probablement l’outil le plus efficace pour l’étude des profondeurs de la Terre.

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