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Le bourdonnement de la Terre

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En dehors de toute activité sismique, la Terre solide résonne en permanence sous l'action de l'océan, dans une large gamme de périodes allant de 1 à 500 secondes. Entre 50 et 300 secondes, les signaux sont de très faible amplitude, mais on voit apparaître les modes propres de notre planète : le ;« bourdonnement de la Terre ». Leur source était encore mystérieuse, jusqu'à ce qu'une équipe de chercheurs français montrent comment l'action des vagues sur le fond produit des ondes sismiques de même période.

Le port du Conquet le jour de la tempête Johanna (10 mars 2008), un événement qui correspond au cas particulier étudié par l'équipe de chercheurs français. © Steven Lamarche, Ifremer.

Le bourdonnement de la Terre a été découvert en 1998 par plusieurs équipes de sismologues et son origine a fait l'objet de nombreuses spéculations. Des études récentes faisaient appel à l'interférence en pleine mer de vagues de très basses fréquences (infragravitaires) de directions opposées, susceptibles de générer des ondes sismiques dont la période est la moitié de celle des vagues. Partant de cette idée, l'équipe menée par Fabrice Ardhuin et Éléonore Stutzmann voulait utiliser le bourdonnement de la Terre pour améliorer les connaissances de la structure de la Terre solide et étudier les tempêtes près des côtes ou en mer.

La première étape du travail conduit par des chercheurs du Laboratoire de physique des océans (CNRS, OBU, Ifremer, IRD), à Brest, et de l'Institut de physique du globe de Paris (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité) a été de modéliser par un calcul numérique, la position et l'intensité des sources sismiques pouvant être produites par ce type de vagues. Ce calcul avait très bien marché pour les ondes sismiques de période autour de 5 secondes. Mais pour 100 secondes, rien n'allait plus : l'amplitude ainsi calculée pour les ondes sismiques était un million de fois trop faibles. Soit la théorie n'était pas bonne, soit il y avait une erreur dans les calculs.

Les auteurs de ces recherches publiées dans Geophysical Research Letters ont alors testé pour ces longues périodes un autre mécanisme connu pour expliquer les ondes sismiques de période de 10 à 20 s. Celui-ci fait intervenir les variations de pression causées par des vagues sur un fond en pente. Et cette fois, la théorie explique non seulement l'amplitude mesurée mais aussi ses variations à l'échelle de quelques heures ou de l'année, de même que ses variations d'une station à l'autre. Le bourdonnement de la Terre n'est donc pas dû à un phénomène se produisant en pleine mer, mais à une interaction entre les vagues et le fond à proximité du plateau continental.

Cette figure montre, en haut, l’évolution de l’amplitude des oscillations verticales filtrées pour garder les périodes de 50 à 130 s. Les mesures proviennent de la station SSB du réseau Geoscope/Resif, au sud de Saint-Etienne. Les signaux les plus forts (qui sortent de l’échelle) sont deux tremblements de terre de magnitude 6,9, le 3 mars et de 7,1, le 20 mars. D’autres séismes de magnitude supérieure à 5,6 peuvent être les sources de signaux enregistrés dans les plages grisées. En dehors de ces plages, le signal mesuré correspond bien à ce qui est attendu d’un calcul théorique de l’effet des vagues infragravitaires aux dessus de pentes. L’évènement le plus intense correspond à la tempête Johanna du 10 et 11 mars 2008, qui a dévasté le littoral français, espagnol et britannique. Les dégâts ont été particulièrement forts en Bretagne car la tempête a coïncidé avec une marée de vive-eau. La carte du bas montre la répartition des sources d’ondes sismiques calculées à partir des vagues. © Ardhuin et al. GRL 2015

Un nouveau champ de recherches qui peut s’avérer très utile

Alors à quoi cela peut-il servir ? Tour d'abord c'est toujours rassurant de comprendre ce que l'on observe, de déterminer la source de signaux qui étaient encore assez mystérieux. Mais surtout, on peut espérer l'ouverture d'un champ nouveau de recherche et d'autres découvertes. Cela permettra sûrement de détecter des anomalies, d'autres signaux inattendus.

Par ailleurs, il y a très peu de mesures des ondes infragravitaires avant les années 2000. Celles-ci sont associées aux très fortes tempêtes et il est intéressant de mieux connaître leurs propriétés, que ce soit pour des questions de submersion marine et d'agitation portuaire, de fracture de langues de glace en Antarctique, de fragilité des lignes de mouillage ou encore pour la mesure du niveau de la mer par satellite. Enfin, une meilleure connaissance des sources des ondes sismiques devrait aussi permettre d'améliorer les techniques d'étude des propriétés de la Terre solide.

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