Le sismogramme est un enregistrement sur papier des ondes sismiques. © Z22, CC by-sa 3.0, Wikimedia Commons
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Ondes P, S, de surface… quelles différences ?

Question/RéponseClassé sous :Terre , Séisme , tremblement de terre
 

Lors d'un séisme, le déplacement des deux compartiments rocheux le long d'une faille génère un train d'ondes élastiques qui se propagent dans toutes les directions. Les ondes prennent donc naissance au niveau du foyer sismique et se déplacent ensuite à des vitesses variables en fonction de la nature du milieu. Plusieurs types d'ondes sont ainsi créés lors d'un séisme, avec des mécanismes de propagation différents : on entend souvent parler des ondes P et S, mais il existe également des ondes dites de surface (ondes L) qui comprennent les ondes de Love et les ondes de Rayleigh.

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Les sismomètres enregistrent les mouvements du sol engendrés par une secousse sismique. Sur l'enregistrement (le sismogramme), on peut ainsi observer l'arrivée des différents types d'ondes et les différencier.

Nature et caractéristiques des différents types d’ondes

Les premières ondes à arriver sont les ondes P (ondes de pression) et les ondes S (ondes de cisaillement ou shear wave), qui sont caractérisées par des périodes courtes (de 1 à 10 secondes). Le troisième type d'ondes, les ondes L (ondes longues) ou de surface arrivent plus tardivement et sont caractérisées par des périodes plus longues, de 30 à 40 secondes. Au sein de ce groupe d'ondes, on distingue les ondes de Love et de Rayleigh.

Exemple de sismogramme pour le séisme ayant eu lieu au Pakistan en 2005. On voit en premier l’arrivée des ondes P, puis les ondes S. Le fort train d’onde qui arrive ensuite correspond aux ondes de surface © Banque de Schémas de l’académie de Dijon.

Ondes de volume

Les ondes P et S sont ce que l'on appelle des ondes de volume : elles se propagent dans toutes les directions et traversent les couches terrestres suivant des rais sismiques, qui représentent le temps minimum pour une onde pour aller d'un point à un autre. Les rais sismiques sont un équivalent des rayons lumineux pour les ondes lumineuses. Cependant, les ondes P et les ondes S ne se propagent pas de la même manière.

Les ondes P sont des ondes longitudinales ou compressives, ce qui veut dire que les particules de matière sont déplacées dans la direction de la propagation, à l'image d'un ressort qui se comprime puis se détend. Ces ondes créent donc des séries de compressions et de dilatations successives. Elles se déplacent suivant une vitesse qui dépend de la nature du milieu mais également de sa densité. Ainsi, plus le milieu est dense, plus les ondes P vont vite, et inversement. Les ondes P se propagent dans tous les milieux, solides et liquides et sont capables de traverser la Terre de part en part. Ce sont les plus rapides (6 km/s en moyenne dans la croûte terrestre), ce qui explique qu'elles soient les premières à être enregistrées sur les sismogrammes. Le grondement sourd que l'on peut entendre lors d'un tremblement de terre leur est attribué.

Les différents types d’ondes et leurs modes de propagation. © USGS via Wikimedia Commons

Les ondes S sont des ondes transversales ou de cisaillement, ce qui veut dire que les particules de matière sont déplacées cette fois-ci dans la direction perpendiculaire à la propagation. Elles peuvent être polarisées verticalement (ondes Sv) ou horizontalement (ondes Sh). Il est facile de les visualiser en faisant onduler une corde sur le sol de haut en bas ou de droite à gauche. De la même manière que les ondes P, la vitesse de propagation des ondes S est fonction de la nature du milieu et de sa densité. Les ondes de cisaillement ont cependant une caractéristique : elles ne se propagent pas dans les milieux liquides, qui ne peuvent être cisaillés. Lors de leur propagation au sein des couches terrestres, elles seront donc notamment arrêtées par le noyau externe, qui est liquide. Les ondes S sont légèrement plus lentes que les ondes P : 4 km/s dans la croûte terrestre. Elles seront donc les secondes à être enregistrées sur les sismogrammes.

Vitesse de propagation des ondes P (en rouge) et S (en violet) en fonction de la profondeur et des couches terrestres. On voit notamment l’incapacité des ondes S à se propager dans le noyau externe (outer core). © Brews ohare, CC by-sa 3.0, Wikimedia Commons

Ondes de surface

Les ondes L sont des ondes de surface. On parle d'ondes guidées, à l'image des oscillations se propageant à la surface de l'eau. Ce sont elles qui transmettent la plus grande partie de l'énergie relâchée durant un séisme. Elles ne se propagent que le long de la surface de la Terre. Leur amplitude est généralement forte mais décroît rapidement avec la distance. On distingue les ondes de Love, qui sont des ondes de cisaillement polarisées horizontalement. Du fait de leur puissance et de ce mouvement horizontal, ces ondes sont particulièrement destructrices pour les constructions non parasismiques. Les ondes de Rayleigh, quant à elles, ont un mouvement complexe en forme d'ellipse. Les ondes de surface se propagent à environ 4 km/s.

Des différences utiles pour déterminer l’origine d’un séisme

Alors qu'elles sont générées au même moment sur la faille, les différents types d'ondes vont arriver à des moments différents au point de mesure, du fait de leurs vitesses de propagation différentes. L'écart de temps entre l'arrivée des ondes P et des ondes S permet en général de calculer l'éloignement de l'épicentre par rapport à la station. Pour connaître la position exacte du foyer sismique, il suffit alors d'au minimum trois stations pour effectuer une triangulation.

Attention toutefois, tout n'est pas si simple ! Car la Terre n'est pas un milieu homogène ni isotrope. Certaines couches montrent des directions de propagation préférentielles : on parle d'un milieu anisotrope. Alors qu'elles se propagent dans toutes les directions, les ondes peuvent donc aller plus vite suivant une direction donnée. Cela dépend notamment de la constitution minéralogique des roches traversées. De plus, à chaque changement de milieu (passage noyau-manteau ou manteau-croûte), les ondes peuvent être réfléchies ou réfractées, induisant de la complexité dans leur schéma de propagation. Le temps d'arrivée d'une onde à une station de mesure dépend donc des interfaces et de l'anisotropie des milieux traversés.

Exemple des trajectoires (rais sismiques) des ondes P au sein de la Terre. En traversant les différentes interfaces, les trajectoires peuvent être déviées, menant à la création de « zones d’ombre » (zones à la surface de la Terre où les ondes ne peuvent arriver). © United States Geological Survey, SVG by Vanessa Ezekowitz, CC by-sa 3.0, Wikimedia Commons

La structure interne de la Terre doit donc être prise en compte lors de l'estimation des vitesses des ondes P et S dans le calcul de la distance à l'épicentre. Les chercheurs utilisent ainsi des modèles de propagation des ondes.

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