Ondes sismiques et leurs indices

Il existe deux grands types d'ondes sismiques :

• Ondes volumiques : se propagent à travers le volume de la Terre (ondes P et S)
• Ondes de surface : se propagent le long de la surface de la Terre (ondes L)

Les ondes P (ou ondes primaires) sont des ondes de compression-dilatation. Elles sont appelées "primaires" car elles sont les premières à être détectées par les sismographes après un séisme.

Elles correspondent à des oscillations du sol parallèles à la direction de propagation de l'onde.

Les ondes P sont les plus rapides des ondes sismiques, avec une vitesse moyenne de :

• 5 à 8 km/s dans la croûte terrestre
• Jusqu'à 13 km/s dans le manteau inférieur

Les ondes P peuvent se propager dans :

• Les solides (croûte, manteau, noyau)
• Les liquides (noyau externe)
• Les gaz (atmosphère)

Les ondes S (ou ondes secondaires) sont des ondes de cisaillement. Elles sont appelées "secondaires" car elles arrivent après les ondes P sur les sismographes.

Elles correspondent à des oscillations du sol perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde.

Les ondes S sont plus lentes que les ondes P, avec une vitesse moyenne de :

• 3 à 4.5 km/s dans la croûte terrestre
• Jusqu'à 7 km/s dans le manteau inférieur

Les ondes S peuvent se propager dans :

• Les solides uniquement (croûte, manteau)
• Elles ne traversent pas les liquides (noyau externe)

Le diagramme montre la variation de vitesse des ondes P et S en fonction de la profondeur dans la Terre :

• Les ondes P (en bleu) se propagent dans tous les milieux
• Les ondes S (en rouge) ne traversent pas les zones liquides
• Des discontinuités apparaissent à certaines profondeurs

Une discontinuité sismique est une limite dans la Terre où la vitesse des ondes sismiques change brusquement. Ces changements de vitesse indiquent des changements de composition ou d'état physique des matériaux.

Elles résultent de variations de densité, de température ou de pression dans les couches internes de la Terre.

Située à environ 35 km de profondeur sous les continents et 7 km sous les océans.

Marque la limite entre la croûte terrestre et le manteau supérieur.

Vitesse des ondes P passe de 6 à 8 km/s.

Située à environ 2900 km de profondeur.

Marque la limite entre le manteau inférieur et le noyau externe.

Les ondes S disparaissent complètement (noyau externe liquide).

Située à environ 5150 km de profondeur.

Marque la limite entre le noyau externe liquide et le noyau interne solide.

La croûte est la couche superficielle de la Terre :

• Épaisseur : 7-35 km
• Composition : roches magmatiques (granite, basalte)
• Sous-type continental : granite, 35 km d'épaisseur
• Sous-type océanique : basalte, 7 km d'épaisseur

Le manteau est la couche la plus épaisse de la Terre :

• Épaisseur : 2900 km
• Composition : péridotite (roche riche en olivine)
• Sous-types : manteau supérieur et inférieur

Le noyau est la partie centrale de la Terre :

• NoYau externe : liquide, 2200 km d'épaisseur
• NoYau interne : solide, rayon de 1220 km
• Composition : fer et nickel

La vitesse des ondes sismiques varie selon :

• La densité du matériau traversé
• La température et la pression
• L'état physique (solide, liquide, gazeux)
• La composition chimique

Les ondes sismiques subissent :

• Réfraction : changement de direction lors du passage entre deux milieux
• Réflexion : rebondissement sur une discontinuité
• Diffraction : contour d'obstacles

Les ondes S ne traversant pas les liquides, elles créent des zones d'ombre sismiques :

• Zones où les ondes S ne sont pas détectées
• Preuve de l'existence d'un noyau externe liquide
• Les ondes P sont réfractées dans le noyau

Le premier train d'ondes (arrivée à 10h00m00s) correspond aux ondes P (primaires) car elles sont les plus rapides.

Le second train d'ondes (arrivée à 10h00m40s) correspond aux ondes S (secondaires) car elles sont plus lentes.

Soit d la distance cherchée.

Temps de parcours des ondes P : t_P = d / 6

Temps de parcours des ondes S : t_S = d / 3.5

Écart de temps : t_S - t_P = 40 secondes

d/3.5 - d/6 = 40

(6d - 3.5d) / (3.5 × 6) = 40

2.5d / 21 = 40

d = (40 × 21) / 2.5 = 336 km

La distance entre le foyer et la station est de 336 km.

Il s'agit de la discontinuité de Gutenberg, située à environ 2900 km de profondeur.

Les changements observés sont dus à un changement d'état physique :

• Le manteau inférieur est solide
• Le noyau externe est liquide
• Les ondes S ne peuvent pas se propager dans un liquide
• Les ondes P sont réfractées et ralenties dans le liquide

Cette discontinuité marque la limite entre :

• Le manteau inférieur (solide)
• Le noyau externe (liquide)

Cela prouve que le noyau externe est composé d'un matériau liquide.

Voici une représentation schématique de la structure interne de la Terre :

• Croûte terrestre : 0-35 km
• Manteau supérieur : 35-660 km
• Manteau inférieur : 660-2900 km
• NoYau externe : 2900-5150 km (liquide)
• NoYau interne : 5150-6371 km (solide)

Chaque couche a des propriétés spécifiques :

• Croûte : solide, roches légères
• Manteau : solide, roches denses (péridotite)
• NoYau externe : liquide, fer-nickel
• NoYau interne : solide malgré haute température (pression extrême)

Grâce aux ondes sismiques, nous connaissons :

• La structure en couches de la Terre
• Les limites entre les différentes couches
• L'état physique des matériaux (solide ou liquide)
• La composition probable des différentes couches

Les ondes sismiques servent à :

• Localiser les séismes
• Évaluer la magnitude des tremblements de terre
• Prévoir les tsunamis
• Étudier la tectonique des plaques
• Explorer les ressources souterraines

• Ondes P (primaires) : compression-dilatation, les plus rapides, traversent tous les milieux
• Ondes S (secondaires) : cisaillement, plus lentes, ne traversent pas les liquides

• Discontinuité de Moho : limite croûte/manteau
• Discontinuité de Gutenberg : limite manteau/noyau externe
• Discontinuité de Lehmann : limite noyau externe/noyau interne

• Croûte : solide, 0-35 km
• Manteau : solide, 35-2900 km
• NoYau externe : liquide, 2900-5150 km
• NoYau interne : solide, 5150-6371 km