sismologie. 1 PRÉSENTATION Enregistrement d'un séisme UPI/THE BETTMANN ARCHIVE sismologie, science des tremblements de terre, consistant à détecter et à analyser les vibrations naturelles du sol et, par extension, les signaux sismiques générés artificiellement (méthodes sismiques). Branche de la géophysique, la sismologie a contribué de manière vitale à la compréhension de la tectonique des plaques, à l'étude de la structure interne de la Terre, à la prévision des tremblements de terre ; c'est aussi une technique précieuse dans l'exploration des gisements. 2 PHÉNOMÈNE SISMIQUE Origine d'un tremblement de terre © Microsoft Corporation. Tous droits réservés. Différentes sortes d'ondes sismiques sont produites par la déformation rapide des milieux rocheux. Un glissement soudain le long d'une faille, par exemple, produit des ondes de compression longitudinales (P) et de cisaillement transversales (S). Les trains d'onde P causés par une dilatation (ou une compression) brutale correspondent à un déplacement dans la direction de la propagation et font subir au milieu traversé une secousse d'avant en arrière (un peu à la manière des ondes sonores). Les déplacements soudains en cisaillement se propagent à travers les matières avec une vitesse un peu plus lente d'onde S, perpendiculairement à la direction de propagation. Tremblement de terre Les tremblements de terre se produisent lors d'un relâchement brutal des tensions (de part et d'autre d'une faille, par exemple) à l'intérieur de la croûte terrestre; la rupture qui s'ensuit provoque des vibrations, légères ou fortes, de la surface du sol. Le foyer du séisme est le point initial de la rupture. Immédiatement au-dessus, l'épicentre est le lieu d'intensité maximale du choc en surface. Ces ondes de choc se propagent en cercles concentriques à partir du foyer et de l'épicentre, diminuant d'intensité à mesure qu'elles s'en éloignent. Ces ondes sismiques sont les ondes primaires (ondes P) et les ondes secondaires (ondes S). Les ondes P provoquent un déplacement des objets dans la direction de propagation des ondes de choc. Ce sont les premières que l'on ressent lors d'un séisme, car elles se propagent plus vite que les ondes S, qui déplacent les objets dans un sens perpendiculaire à la direction de propagation. © Microsoft Corporation. Tous droits réservés. Quand les ondes P et S rencontrent une limite, comme la discontinuité de Mohorovicic (Moho), qui se trouve entre la croûte et le manteau de la Terre, elles sont partiellement réfléchies, réfractées et transmises, se divisant en plusieurs autres types d'ondes au cours de leurs propagations. Le temps de voyage des ondes P et S dépend des changements de vitesse à la traversée de milieux ayant des propriétés élastiques différentes. Dans les roches granitiques caractéristiques de la croûte continentale, la vitesse des ondes P est voisine de 6 km/s, alors que dans les roches sous-jacentes mafiques et ultramafiques (roches foncées contenant des quantités importantes de magnésium et de fer), la vitesse des ondes P est comprise entre 7 et 8 km/s. Noyau externe liquide de la Terre L'étude des ondes sismiques générées lors des tremblements de terre a permis aux scientifiques de déterminer que le noyau externe de la Terre est liquide. Les tremblements de terre génèrent des ondes P (ondes de compression longitudinales) et des ondes S (ondes de cisaillement transversales) dans les profondeurs de la Terre. Une zone d'ombre apparaît sur la face du globe opposée à l'épicentre du séisme, car le noyau externe réfléchit les ondes S et dévie les ondes P. Les ondes S sont réfléchies parce qu'elles ne peuvent se propager dans un milieu liquide et elles projettent une zone d'ombre supérieure à celle des ondes P réfractées. Les géologues et les sismologues ont déterminé la taille du noyau externe en utilisant l'arc de 154 ° de la zone d'ombre des ondes S et diverses mesures effectuées à la surface du globe terrestre. © Microsoft Corporation. Tous droits réservés. En plus des ondes P et S (ondes de volume), il existe deux ondes sismiques de surface : les ondes de Love, d'après le nom du géophysicien britannique Augustus E.H. Love, et les ondes de Rayleigh, d'après le nom du physicien britannique John Rayleigh. Ces ondes voyagent rapidement et leur propagation est guidée par la surface de la Terre. 3 MOYENS D'ÉTUDE Séismes : échelles de mesure L'échelle de Richter, ainsi que d'autres échelles (EMS en Europe, Mercalli aux États-Unis), sont utilisées pour mesurer et comparer l'intensité des séismes. L'échelle de Richter mesure la magnitude, autrement dit la quantité d'énergie libérée au point de déclenchement du tremblement de terre, ou foyer. L'échelle EMS 1992 (échelle macrosismique européenne, adoptée en 1992) se fonde, quant à elle, sur les effets du séisme ressentis à la surface. © Microsoft Corporation. Tous droits réservés. Les ondes sismiques longitudinales, transversales et de surface causent des vibrations aux points où elles atteignent la surface de la Terre. Des instruments sismiques ont été mis au point afin de détecter ces mouvements par des méthodes électromagnétiques ou optiques. Les principaux instruments, appelés sismographes, ont été perfectionnés à partir du sismographe horizontal mis au point au début du XXe siècle par le scientifique allemand Emil Wiechert. Fonctionnement d'un sismographe Le sismographe présenté ici permet de détecter et d'enregistrer les mouvements d'ondes verticales. Lorsqu'une onde sismique atteint le sismographe, le sol, le cadre et le tambour rotatif vibrent en oscillant verticalement, alors que la masse suspendue par le ressort reste immobile du fait de son inertie. Le stylet relié à la masse trace ainsi une ligne brisée sur le tambour. © Microsoft Corporation. Tous droits réservés. Certains instruments, comme le sismomètre électromagnétique, utilisent un enregistrement électromagnétique où la tension induite passe d'un amplificateur électrique vers un galvanomètre. Un enregistreur photographique visionne rapidement un film, réalisant des enregistrements de mouvements sur un temps précis. Les ondes de réfraction et de réflection sont habituellement enregistrées sur des bandes magnétiques, permettant une analyse numérique sur ordinateur. Camion vibrateur Afin de déterminer la structure des couches souterraines de roches, ce camion vibrateur frappe le sol à intervalles réguliers, ce qui envoie des ondes sismiques dont la fréquence est connue. Un réseau de séismomètres (qu'on appelle géophones) enregistre le temps que mettent les ondes à leur parvenir. David Parker/Science Source/Photo Researchers, Inc. Les extensomètres, qui effectuent des mesures électroniques de changement de distance entre deux pylônes en béton séparés environ de 30 m, peuvent détecter les réponses de compression et d'extension dans le sol pendant les vibrations sismiques. Le sismographe-extensomètre linéaire de Benioff détecte les tensions liées aux processus tectoniques, ceux associés à la propagation des ondes sismiques, et à la manifestation de marées terrestres. Des inventions assez récentes utilisées en sismologie comprennent les sismographes à large bande, les sismographes longue période, les sismographes rotationnels et les sismographes fond de mer. Ces sismographes sont utilisés dans les stations du monde entier pour enregistrer les signaux des tremblements de terre et les explosions nucléaires souterraines. Le World Wide Standard Seismograph Network (WWSSN, Réseau sismographique mondial) comprend 125 stations. 4 APPLICATIONS La recherche sismologique de base porte sur une meilleure compréhension de l'origine et de la propagation des tremblements de terre, et sur l'étude de la structure interne de la Terre. Selon la théorie du rebond élastique, la déformation qui s'est accumulée au cours des années est brusquement relâchée par les mouvements de faille en générant des vibrations sismiques intenses. De fortes secousses peuvent réduire en gravats et en une seconde les contructions les plus solides. Les géologues et les ingénieurs prennent donc en compte une variété de facteurs liés aux tremblements de terre dans la conception d'une construction, parce que les barrages, les centrales nucléaires, les décharges, les routes, les silos de missile, les édifices et autres structures construites sur des sites dangereux doivent être capables de supporter de forts mouvements. Les méthodes de prospection sismique génèrent par explosion des ondes sismiques artificielles en un point donné ; en d'autres points, où l'on a placé des géophones, on détermine le temps d'arrivée de l'énergie réfractée ou réfléchie par les discontinuités des couches géologiques. De ces techniques, on déduit des profils de réfraction ou de réflection sismique, selon le phénomène que l'on étudie. Dans la prospection sismique pétrolière, les techniques perfectionnées de génération de signal sont combinées à des systèmes d'enregistrement digital sur des bandes magnétiques sophistiquées pour une analyse précise des données. Quelques-unes des méthodes les plus perfectionnées de campagne sismique sont utilisées dans la prospection pétrolière en mer du Nord. Les profils de réflection sismique, selon la technique développée dans les années 1940 pour la prospection pétrolière, ont été utilisés ces dernières années pour mener des recherches de base. Dans un programme sans précédent visant à déchiffrer la structure de la croûte continentale profonde, cette technique a été employée pour sonder la roche à une dizaine de kilomètres de profondeur, ce qui a permis de résoudre de nombreuses énigmes sur l'origine et l'histoire de la croûte de l'Amérique du Nord. Parmi ces découvertes majeures, les chercheurs ont mis en évidence une faille presque horizontale caractérisée par un déplacement sur plus de 200 km. Cette structure, située au sud des Appalaches, représente la surface le long de laquelle une grande feuille de roche cristalline a été poussée vigoureusement sur des roches sédimentaires à la suite de la collision progressive entre l'Amérique du Nord et l'Afrique pendant le permien, il y a 250 millions d'années. Les recherches menées dans la mer du Nord, au nord de l'Écosse, ont permis de délimiter des structures encore plus profondes, certaines s'enfonçant sous la croûte dans le manteau de la Terre, à presque 110 km de profondeur. 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