Propagation et différentes ondes sismiques
A/ Propagation d'une onde sismique
Le terme "onde" est issu du latin unda signifiant "eau courante". Une onde est définie comme étant la propagation d’une déformation, d’un ébranlement ou une vibration dont l’élongation (la propagation) est une fonction périodique des variables de temps et d’espace (célérité, fréquence ou période).
Les ondes sismiques se propagent à partir du foyer. Aucune onde sismique ne transporte de la matière. L’onde se propage grâce au transfert d’énergie entre les particules : l’onde sismique provoque un déplacement minime de chaque particule minérale qui oscille autour de sa position d’équilibre, l’énergie est ainsi transférée, et ainsi de suite, sur de très longues distances.
Nous allons démontrer ce transfert d'énergie par une expérience.
Expériences de la corde (1)
Nous avons besoin pour cette expérience d’une longue corde. Les extrémités de la corde sont chacune tenues par un élève. Un bâton de colle, représentant un objet de masse x est posé debout, au bout de la corde (à côté de l’élève 2). L’élève 1 exerce un mouvement horizontal sur la corde (coup "sec" de droite a gauche) provoquant ainsi une onde qui se propage jusqu’au bout de la corde, la corde heurte donc le bâton de colle, celui-ci tombe.
Il n’y a pas de transport de matière. Ceci est démontré par l'expérience qui suit. Nous avons toujours besoin de la même corde. Nous enroulons au milieu de cette corde un petit fil visible par sa couleur. Le principe est le même que l’expérience précédente : un élève a chaque extrémité de la corde. Un mouvement est exercé par un des deux élèves. Une onde se propage alors, et nous remarquons que le fil enroulé autour de la corde ne bouge pas. Ceci prouve donc qu’une onde sismique ne transporte pas la matière.
B/ Les différentes ondes
1) Les ondes de volume
Il existe deux types d'ondes de volume, leur propagation se fait à l'intérieur de la terre, et leur vitesse de propagation dépend du matériau traversé par l'onde :
1° Les ondes P
Les ondes P, ou ondes primaires ; ce sont des ondes de compression, longitudinales. Ces ondes se propagent horizontalement, en quelque sorte parallèlement au sol. Leur vitesse de propagation est la plus importante des ondes sismiques, ce sont elles qui sont enregistrées en premier sur les appareils de mesure sismique : les sismogrammes.
Expérience du ressort
Le but de cette expérience est d'obtenir quelque chose comme :
Nous avons besoin pour cette expérience d’un long ressort. Le but est d’étirer celui-ci. Deux élèves tiennent le ressort a une extrémité chacun. L’un d’eux prend quelques « branches » du ressort et les ramène vers lui. Les spires sont donc serrées, compressées les une aux autres. L’élève relâche les spires, le transfert d’énergie a donc lieu, et cette compression se propage jusqu'à l’autre bout du ressort et revient, faisant ainsi parfois plusieurs aller retour. C’est une représentation de l’onde P.
2° Les ondes S
Les ondes S, ou ondes secondaires ; ce sont des ondes de cisaillements, transversales. Les mouvements du sol se font perpendiculairement à la propagation de l'onde. Leur vitesse est inférieure a celle des ondes P (4 km/s ). De plus, les ondes secondaires ne se propagent pas dans les milieux liquides. Sur les sismogrammes, elles apparaissent en seconde.
Expérience de la corde (2)
Nous voulons ici montrer cela :
Nous avons besoin pour cette expérience d’une longue corde. Même principe que pour l’expérience du ressort. Un élève a chaque extrémité de la corde. L’un des deux élèves doit exercer un mouvement sur la corde de haut en bas. Le deuxième se contente de maintenir la corde de son côté. Une onde se propage alors tout le long de la corde telle une espèce de vague. C’est la représentation d’une onde S.
L'éloignement d'un séisme peut être évalué grâce à la différence des temps d'arrivée des deux différentes ondes. L'épicentre peut ensuite être localisé grâce a 3 sismogrammes (Une onde est émise par chacun d’eux, le point d’intersection des ondes est l’épicentre).
A noter aussi que les ondes de volume peuvent êtres déviées à l'intérieur de la terre au niveau des changements de milieux (Passage Manteau-Noyau par exemple). Leur trajet peut être comparé à des ondes lumineuses.
2) Les ondes de surface
Comme leur nom l'indique, ces ondes sont guidées par la surface de la terre. Leur amplitude est en général plus forte que celle des ondes de volume, mais leur vitesse de propagation est inférieure.
L'effet de ces ondes peut être comparé à la conséquence qu'a la chute d'une goutte de pluie dans un lac.
Les deux principales ondes de surface sont :
1° L'onde de Love
Elle fut découverte en 1911 et porte le nom de son inventeur anglais.
Le déplacement de ces ondes est comparable a celui des ondes S .Les ondes Love provoquent des secousses entraînant de gros dégâts sur les bâtiments non équipé d'un système parasismique.
Ces ondes déplacent le sol sur un plan horizontal, dans une direction perpendiculaire a celle de leur propagation dont la vitesse est de 4 km/s.
2° L'onde de Rayleigh
Elle fut découverte en 1885. Le déplacement du sol qu'elle provoque est plus compliqué. C'est un mouvement a la fois horizontal et vertical, elliptique.
