Repères
Colères de la planète Terre 
Ondes sismiques
Les ondes en général
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).
On distingue deux types d’ondes :
– les ondes mécaniques : propagation d’une déformation mécanique dans un milieu. La perturbation se transmet de proche en proche dans le milieu. Elle transfère de l’énergie sans transfert de matière. Ce sont les ondes sonores, les vagues, les ondes sismiques, etc.
– les ondes électromagnétiques : propagation d’un champ électromagnétique ne nécessitant pas de milieu matériel connu. Ce sont les ondes hertziennes, les rayons infrarouges, les ondes lumineuses (radiations visibles), les rayons ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma. Ces ondes transfèrent de l’énergie.

Origine et propagation des ondes sismiques
Les ondes sismiques se propagent à partir du foyer (source d’émission) dans toutes les directions qui leur sont offertes. L’énergie est propagée sous forme de trains d’ondes à l’origine du tremblement de terre. L’onde sismique provoque un déplacement minime de chaque particule minérale qui oscille autour de sa position d’équilibre.
Une particule ayant des « liaisons » avec les particules voisines, l’énergie (le mouvement) se transmet de proche en proche sur de très longues distances. La surface séparant les particules en mouvement de celles qui ne le sont pas encore correspond au front d’onde. La surface formée par les particules vibrant en phase est la surface d’onde. On matérialise la direction de propagation de l’énergie (donc de l’onde) par le rai sismique, qui, dans un milieu isotope, est perpendiculaire à la surface d’onde. Dans un milieu homogène, le rai sismique est une droite.
Pour visualiser le fait qu’il n’y a pas de transfert de matière, on utilise la cuve à ondes.
Des ondes planes se propagent à la surface de l’eau ; la bille de polystyrène ne se déplace pas.
Voir
Utilisation de la cuve à ondes TS physique
Ondes planes, vidéogramme au format Real media (680Ko).
Ondes planes, vidéogramme au format Quicktime (650Ko).
Pour visualiser le transfert d’énergie : on fixe un petit sujet au bout d’une corde élastique, on exerce un mouvement vertical à l’autre bout de la corde, une onde transversale se propage, grâce à l’énergie propagée, le sujet se déplace perpendiculairement à la direction de propagation de l’onde, de part et d’autre de sa position d’équilibre.
Pour visualiser des trains d’ondes à partir d’une source, on utilise également la cuve à ondes.
Des trains d’ondes circulaires se propagent à partir de la source (air envoyé à la surface de l’eau).
Voir
Utilisation de la cuve à ondes TS physique
Ondes circulaires, vidéogramme au format Real media (680Ko).
Ondes circulaires, vidéogramme au format Quicktime (650Ko).

Caractéristiques des différents types d’ondes sismiques
Lors d’un séisme, les sismomètres enregistrent l’arrivée successive de différents trains d’ondes : ondes P, ondes S et ondes L. Ces deux dernières sont les plus destructrices.
Pour caractériser une onde, on indique sa direction de propagation, sa « vitesse » de propagation ou célérité.
Le terme « vitesse » est réservé au déplacement d’un mobile (déplacement de matière), dans le cas d’une onde, on utilise le terme célérité (pas de déplacement de matière). Vitesse et célérité sont représentées par la lettre V.

Caractéristiques
Ondes de volume
Ondes L
(ondes longues)

Ondes P
(ondes premières)
Ondes S
(ondes secondes)

Période
Courte, de une seconde à dix secondes

Courte, de une seconde à dix secondes
Longue, de trente secondes à quarante secondes
Type d’ondes
Ondes de compression, dilatation
Ondes longitudinales

Ondes de cisaillement
Ondes transversales
Ondes de surface
Zones traversées
Ces ondes traversent la planète.
Transmises dans tous les milieux
(y compris dans l’air : responsables du grondement sourd lors d’un séisme).

Ces ondes traversent la planète.
Elles ne sont pas transmises par les fluides.
Ces ondes circulent parallèlement à la surface de la planète
Célérité
Célérité (V) en fonction de la nature du milieu.
V augmente avec la distance parcourue.
V augmente avec la densité du milieu traversé.
V : 5,5 km/s à 12 km/s.
Célérité (V) en fonction de la nature du milieu.
V augmente avec la distance parcourue.
V augmente avec la densité du milieu traversé.
V : 3,5 km/s à 6,5 km/s.

Célérité « constante » (plus rapide sous les océans que sous les continents)
V = 4,4 km/s pour les ondes de Love
V = 4 km/s pour les ondes de Rayleigh
Mouvement des particules

Les particules se déplacent suivant la direction de propagation.
Les matériaux subissent un changement de volume.
Les particules se déplacent perpendiculairement à la direction de propagation.
Les matériaux ne subissent pas de changement de volume.
Ondes de Love : les particules oscillent dans un plan horizontal perpendiculaire à la direction de propagation. Ondes de grande amplitude.
Ondes de Rayleigh : les particules oscillent dans un plan vertical et réalisent un mouvement elliptique.
Comportement
de l’onde sur une surface séparant deux milieux physiques différents
L’énergie transportée par l’onde incidente P est distribuée en ondes P réfléchies et réfractées.
L’énergie transportée par l’onde incidente S est distribuée en ondes S réfléchies et réfractées.
Ces ondes transportent la plus grande partie de l’énergie


Des mesures physiques expérimentales ont été réalisées, montrant la célérité des ondes sismiques dans différents types de roches.
 


Granite
Basalte
Gabbro
Péridotite
Célérité (km/s)

6,24
6,73
7,25
7,75
Densité

2,65
2,90
3
3,2


La célérité de l’onde est une propriété du milieu de propagation et non de l’onde. Elle dépend de la densité, de l’inertie et de la rigidité du milieu.

La déformation des roches près de la surface, lors du passage de quatre types d’ondes sismiques (d’après B. A. Bolt, 1978).
© Sciences de la Terre et de l’univers par André Brahic, Michel Hoffert, André Schaaf et Marc Tardy. Éditions Vuibert, 1999.