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 de la sismicité
4. Enregistrement et types d’ondes
5. Vitesse et localisation des séismes
6. Réfraction et ondes aux interfaces
7. Structure profonde révélée par les séismes lointains
8. Moho et structure du manteau supérieur

📖 1. Mécanique des roches et séismes

🔑 Notions clés & Définitions

• Séisme : Un ébranlement brutal du sol provoqué par des ondes élastiques issues en profondeur d’une rupture et d’un mouvement relatif de deux compartiments lithosphériques, qui libèrent instantanément une énergie accumulée lentement.

★ À maîtriser

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

• Dans les roches de la lithosphère, la rupture survient dans le domaine élastique, ce qui caractérise un comportement cassant ou fragile à l’origine des séismes.

• 🔄 Le cycle sismique suit ces étapes :
  1. Accumulation des contraintes et déformation élastique sans rupture au voisinage de la faille
  2. Glissement brutal le long de la faille
  3. Libération de l’énergie élastique
  4. Vibration des roches

📌 Le foyer, ou hypocentre, est l’origine en profondeur du séisme, tandis que l’épicentre est la projection de ce point à la surface.

Compléments

• Les roches de l’asthénosphère ont un comportement ductile et ne cassent pas sous contrainte dans les conditions de température et de pression qui y règnent.

💡 Astuce mémo

Élastique, plastique, puis rupture : la contrainte croît.

📖 2. Magnitude et effets des séismes

🔑 Notions clés & Définitions

• Tsunami : Une ou plusieurs vagues géantes pouvant déferler sur les côtes après des oscillations déclenchées par un séisme sous-marin.

★ 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 A₀ l’amplitude d’un séisme de référence 0 enregistrée à la même distance.

• Les paramètres caractéristiques d’un séisme sont :
  • La longueur du plan de rupture, en kilomètres
  • La largeur du plan de rupture, en kilomètres
  • Le glissement le long du plan de rupture, en mètres

Compléments

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

• La magnitude la plus élevée indiquée comme enregistrée dans le cours est 9,5, pour le Chili en 1960.

• Le séisme de subduction du sud du Chili de 1960 a impliqué une rupture 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 appelées répliques.

📖 3. Répartition mondiale de la sismicité

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

• Les trois principales zones de sismicité sont :

  • La zone circumpacifique
  • Les dorsales médio-océaniques
  • La ceinture eurasiatique, du système alpin jusqu’à l’Asie centrale

• Dans la zone circumpacifique, les séismes sont associés aux grandes fosses océaniques et leurs foyers vont de superficiels à très profonds, jusqu’à 700 km.

• Aux dorsales médio-océaniques, les séismes sont très superficiels, avec des foyers à moins de 20 km, et de magnitude modérée.

• Dans la ceinture eurasiatique, les séismes peuvent dépasser 70 km de profondeur et traduisent des mouvements de compression associés à des failles inverses.

Compléments

• Les séismes des dorsales médio-océaniques traduisent des mouvements d’extension ou de coulissement associés à des failles normales ou décrochantes.

• En France métropolitaine, la sismicité est faible et les régions les plus à risque sont les Pyrénées et Provence-Alpes, tandis que les Antilles constituent une exception mentionnée au cours.

📖 4. Enregistrement et types d’ondes

🔑 Notions clés & Définitions

• Sismographe : Un instrument à forte inertie, relié à un support solidaire du sol, qui enregistre les mouvements du sol.
• Hodographe : Un graphique du temps d’arrivée des ondes en fonction de la distance à la source.

★ À maîtriser

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

• Les ondes P et S sont des ondes de volume qui se propagent dans toutes les directions et traversent la planète, tandis que les ondes L sont des ondes de surface qui se déplacent horizontalement le long de discontinuités superficielles.

📌 Les ondes P sont longitudinales et de compression, car les particules se déplacent dans la direction de propagation de l’onde.

📌 Les ondes S sont des ondes de cisaillement dans lesquelles les particules se déplacent perpendiculairement à la direction de propagation.

• Les ondes S ne se propagent pas dans les liquides, car leur coefficient de résistance μ y est nul.

Compléments

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

• La vitesse des ondes P est environ 1,7 fois celle des ondes S.

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

💡 Astuce mémo

P et S traversent le globe ; L longe la surface.

📖 5. Vitesse et localisation des séismes

★ À maîtriser

• La méthode de triangulation localise l’épicentre en comparant les temps d’arrivée des ondes P et S enregistrés dans trois stations et en utilisant des hypothèses sur leurs vitesses.

• L’écart entre les temps d’arrivée des ondes P et S augmente avec la distance à l’épicentre.

Compléments

• L’augmentation des vitesses des ondes P et S avec la distance à l’épicentre montre que la Terre n’est pas un milieu homogène.

📖 6. Réfraction et ondes aux interfaces

★ À maîtriser

• À l’interface de deux milieux, un rayon incident donne naissance à un rayon réfléchi dont l’angle par rapport à la normale est égal à l’angle d’incidence, et à un rayon réfracté.

📐 Formule - La loi de Snell s’écrit $\frac{\sin(i)}{V_1}=\frac{\sin(r)}{V_2}$, où i et r sont les angles d’incidence et de réfraction et V₁ et V₂ les vitesses dans les deux milieux.

• L’angle critique est l’angle d’incidence pour lequel le rayon réfracté atteint 90° par rapport à la normale et cesse d’exister au-delà, produisant une réflexion totale.

• Les trois ondes enregistrables en surface sont :
  • L’onde directe Pg
  • L’onde réfléchie PmP sur la discontinuité
  • L’onde conique Pn se propageant à la surface du milieu inférieur

Compléments

• La vitesse des ondes sismiques augmente avec la profondeur dans les roches plus denses, et les rayons sont courbés plutôt que rectilignes lorsque les couches sont courbées.

📐 Formule - L’angle critique vérifie $\sin(i_C)=\frac{v_1}{v_2}$ lorsque la vitesse v₂ dans le milieu réfractant est supérieure à v₁.

• L’onde conique Pn ne peut être détectée qu’à partir d’une distance minimale de la source, et peut arriver avant l’onde directe au-delà de la distance de croisement.

📖 7. Structure profonde révélée par les séismes lointains

★ À maîtriser

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

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

• Au-delà d’environ 14 500 km (143°), les ondes P réapparaissent sous une forme plus lente après une double réfraction à la limite entre le manteau et le noyau, et sont parfois appelées PKP.

• La discontinuité de Gutenberg, limite entre le manteau et le noyau, se situe à environ 2 900 km de profondeur.

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

• Les résultats sismiques indiquent que le manteau est composé de silicates contenant notamment de l’aluminium, du magnésium et du silicium, tandis que le noyau contient un alliage comprenant notamment du fer.

Compléments

• Les ondes PKIKP traversent le noyau interne solide, dont la traversée est désignée par la lettre I.

• 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
  • La pérovskite au-delà de 700 km

📖 8. Moho et structure du manteau supérieur

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

• Entre 200 et 800 km des stations, des ondes coniques peuvent arriver avant les ondes Pg directes après avoir cheminé plus vite à la limite croûte-manteau, révélant la discontinuité du Moho.

• Le Moho peut atteindre 70 km de profondeur sous les montagnes, tandis qu’il ne dépasse pas environ 10 km sous les croûtes océaniques.

📌 La lithosphère est une structure solide formée de la croûte et d’une petite partie du manteau supérieur, tandis que la mésosphère correspond au reste du manteau solide.

Compléments

• L’asthénosphère, parfois associée à la LVZ, est une structure moins visqueuse séparant deux structures plus rigides, la lithosphère et la mésosphère.

💡 Astuce mémo

Le Moho sépare croûte et manteau ; la LVZ ralentit les ondes.

📊 Tableaux de synthèse

Ondes sismiques principales