Fiche de révision : Initiation à la sismologie

📋 Plan du Cours

1. Mécanique des roches et séismes
2. Magnitude et effets des séismes
3. Répartition mondiale des séismes
4. Enregistrement et types d’ondes
5. Trajets, vitesses et localisation
6. Réfraction et réflexion aux interfaces
7. Structure profonde révélée par les séismes lointains
8. Croûte et manteau supérieur

📖 1. Mécanique des roches et séismes

🔑 Notions clés & Définitions

• Séisme : Ébranlement brutal du sol provoqué par l’arrivée d’ondes élastiques initiées en profondeur après la rupture et le mouvement relatif de deux compartiments lithosphériques, libérant une énergie accumulée lentement.

★ À maîtriser

📌 Dans le domaine élastique, la déformation est proportionnelle à la contrainte et disparaît lorsque celle-ci cesse, tandis que la déformation plastique persiste après la suppression de la contrainte.

• Dans la lithosphère, les roches rompent dans le domaine élastique et ont un comportement cassant, tandis que les roches de l’asthénosphère ont un comportement ductile et ne cassent pas sous les contraintes décrites.

• 🔄 Le cycle sismique suit plusieurs étapes :
  1. Accumulation des contraintes et déformation élastique près d’une faille
  2. Glissement brutal le long de la faille
  3. Libération de l’énergie élastique
  4. Vibration des roches

Compléments

📌 Le foyer, ou hypocentre, est le point d’origine profond du séisme, tandis que l’épicentre est sa projection à la surface.

💡 Astuce mémo

Contrainte accumulée → rupture → vibrations du sol

📖 2. Magnitude et effets des séismes

★ À maîtriser

📐 Formule - La magnitude de Richter est définie par $M_L=\log_{10}(A/A_0)$, où $A$ est l’amplitude maximale enregistrée à 100 km de l’épicentre et $A_0$ l’amplitude de référence enregistrée à cette même distance.

• Les séismes sont caractérisés par la longueur et la largeur du plan de rupture, en kilomètres, et par le glissement le long de ce plan, en mètres.

Compléments

• L’échelle de Richter est ouverte, sans minimum ni maximum.

• La magnitude la plus élevée signalée dans le cours est 9,5, pour le séisme du Chili en 1960, et non pour celui de Lisbonne au XVIIIe siècle.

• Lors du séisme de subduction du sud du Chili en 1960, la rupture a concerné un plan d’environ 850 km de long et 120 km de large, avec un déplacement d’environ 10 m.

• Un séisme est souvent suivi de plusieurs centaines de secousses ou répliques, et un séisme sous-marin peut déclencher un tsunami constitué d’une ou plusieurs vagues géantes.

📖 3. Répartition mondiale des séismes

🔑 Notions clés & Définitions

• Plan de Wadati-Benioff : Alignement des séismes superficiels et profonds qui matérialise une plaque en plongement dans une zone de subduction.

★ À maîtriser

• Les séismes se concentrent principalement dans trois zones :
  • La zone circumpacifique
  • Les dorsales médio-océaniques
  • La ceinture eurasiatique, du système orogénique alpin à l’Asie centrale

Compléments

📌 Dans la zone circumpacifique, les séismes s’étendent des foyers superficiels aux foyers très profonds, jusqu’à 700 km, et sont liés notamment à des failles inverses ou décrochantes.

• Aux dorsales médio-océaniques, les foyers sismiques sont à moins de 20 km de profondeur et les magnitudes sont modérées; ces séismes correspondent à l’extension ou au coulissement.

• Dans la ceinture eurasiatique, les séismes traduisent des mouvements de compression et peuvent être très profonds, au-delà de 70 km.

• La sismicité de la France métropolitaine est faible, et les régions les plus à risque sont les Pyrénées et la Provence-Alpes.

📖 4. Enregistrement et types d’ondes

🔑 Notions clés & Définitions

• Sismographe : Instrument à inertie relié à un support solidaire du sol, qui enregistre les mouvements du terrain.

★ À maîtriser

📌 Les ondes P et S sont des ondes de volume qui traversent le globe, tandis que les ondes L sont des ondes de surface qui se propagent horizontalement le long de discontinuités superficielles.

📌 Les ondes P sont longitudinales et déplacent les particules dans la direction de propagation, tandis que les ondes S sont transversales et les déplacent perpendiculairement à cette direction.

📐 Formule - La vitesse des ondes S est donnée par $V_s=\sqrt{\frac{\mu}{\rho}}$; comme $\mu=0$ dans un liquide, les ondes S ne s’y propagent pas, notamment dans le noyau externe.

Compléments

• Les ondes P et S ont des périodes courtes de 1 à 10 s, tandis que les ondes L sont plus tardives et ont des périodes de 30 à 40 s.

📐 Formule - La vitesse des ondes P est donnée par $V_p=\sqrt{\frac{k+\frac{4}{3}\mu}{\rho}}$, où $k$ est le coefficient d’incompressibilité, $\mu$ la résistance de la roche et $\rho$ sa densité.

• Les ondes P se propagent plus vite que les ondes S, avec $V_p\approx1{,}7V_s$.

💡 Astuce mémo

P comprime, S cisaille ; L longe la surface

📖 5. Trajets, vitesses et localisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Hodographe : Représentation du temps d’arrivée des ondes en fonction de la distance à la source.

★ À maîtriser

• La méthode S-P localise un séisme en mesurant l’écart d’arrivée des ondes P et S à trois stations, puis en estimant l’épicentre par triangulation à partir des vitesses supposées de ces ondes.

Compléments

• Sur un hodographe, les ondes L ont une vitesse constante quelle que soit la distance à la source, tandis que les courbes des ondes P et S indiquent une vitesse croissante avec la distance.

• L’écart d’arrivée des ondes P et S augmente avec la distance à l’épicentre, et l’augmentation de leur vitesse apparente indique que la Terre n’est pas homogène.

📖 6. Réfraction et réflexion aux interfaces

🔑 Notions clés & Définitions

• Angle critique : Angle d’incidence pour lequel le rayon réfracté atteint 90° par rapport à la normale et où apparaît la réflexion totale.

★ À maîtriser

📌 À une interface entre deux milieux, un rayon incident donne un rayon réfléchi dont l’angle est égal à l’angle d’incidence et un rayon réfracté qui traverse le second milieu.

📌 Dans un modèle à deux couches, l’onde Pg est directe, PmP est réfléchie sur le Moho et Pn est une onde conique propagée le long de la limite entre les milieux.

Compléments

📐 Formule - La loi de Snell s’écrit $\frac{\sin(i)}{V_1}=\frac{\sin(r)}{V_2}$, où les angles sont mesurés par rapport à la normale à l’interface.

• Dans le modèle présenté, la vitesse des ondes augmente avec la profondeur et les rayons sismiques sont courbés plutôt que rectilignes dans les couches terrestres courbées.

📐 Formule - L’angle critique vérifie $\sin(i_C)=v_1/v_2$, où $v_1$ et $v_2$ sont les vitesses des ondes dans les milieux 1 et 2.

• Les ondes coniques ne sont détectées qu’à partir d’une distance minimale de la source et peuvent ensuite arriver avant les ondes directes au-delà de la distance de croisement.

📖 7. Structure profonde révélée par les séismes lointains

★ À maîtriser

• Entre environ 11 500 km (103°) et 14 500 km (143°), une zone d’ombre se caractérise par l’absence de réception des ondes P et S.

• La discontinuité de Gutenberg, située à environ 2 900 km de profondeur, marque la limite entre le manteau et le noyau.

• La discontinuité de Lehmann, située vers 5 100 km de profondeur, sépare le noyau externe liquide du noyau interne solide, appelé graine.

Compléments

• Entre 0 et environ 11 500 km, soit 103°, les stations reçoivent normalement les ondes P et S d’un séisme lointain.

• Au-delà d’environ 14 500 km (143°), les ondes P réapparaissent sous forme d’ondes PKP, réfractées deux fois à la discontinuité manteau-noyau et ralenties dans le noyau.

• Les données sismiques relient le manteau aux silicates comprenant notamment l’aluminium, le magnésium et le silicium, et le noyau à un alliage comprenant notamment du fer.

• Les minéraux associés aux profondeurs du manteau sont l’olivine et le pyroxène entre 50 et 400 km, le grenat et le spinelle entre 400 et 700 km, puis la pérovskite au-delà de 700 km.

📖 8. Croûte et manteau supérieur

🔑 Notions clés & Définitions

• Moho : Discontinuité entre la croûte et le manteau, révélée notamment par l’arrivée d’ondes coniques.

• LVZ : Zone vers 100 km de profondeur où la vitesse des ondes P et S diminue légèrement.

★ À maîtriser

📌 La lithosphère est une structure solide formée de la croûte et d’une petite partie du manteau supérieur, l’asthénosphère est une zone moins visqueuse associée à la LVZ, et la mésosphère correspond au reste du manteau solide.

Compléments

• Entre 0 et 200 km, les stations enregistrent normalement les ondes P et S; entre 200 et 800 km, des ondes coniques Pn peuvent s’ajouter aux ondes directes Pg et révéler la discontinuité du Moho.

• Le Moho peut atteindre 70 km sous les montagnes, tandis qu’il n’excède pas environ 10 km sous les croûtes océaniques.

📊 Tableaux de synthèse

Ondes sismiques principales