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Les ondes sismiques

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Objectif
L'étude des ondes sismiques a permis de déterminer les différentes couches du globe terrestre, la vitesse de propagation des ondes étant fonction de l'état et de la densité de la matière.
Quelles sont les propriétés de ces différentes ondes ?
En quoi l'étude des ondes est-elle utile aux géologues ?

1. Quelques rappels

Les tremblements de terre, ou séismes, peuvent provoquer des dégâts et des catastrophes considérables pour la vie humaine. Cependant, ils nous apportent certaines informations sur la structure de la Terre.

Les séismes libèrent de l'énergie stockée dans les roches avec le temps : cette énergie est transmise à partir du foyer (zone de libération de l'énergie provoquant le tremblement) sous la forme d'ondes (ou vibrations) qui se propagent dans toutes les directions : les ondes sismiques.

Doc. Enregistrement d'une onde sismique.

2. Les différentes ondes sismiques

Il existe deux grands domaines de propagation des ondes :

– les ondes de fond qui se propagent à l'intérieur de la Terre et peuvent être enregistrées en plusieurs points du globe. On distinguera 2 grands types : les ondes de cisaillement, ou ondes S, et les ondes de compression, ou ondes P ;
– les ondes de surface (ondes L) qui se propagent à la surface du globe et dans la croûte terrestre ; elles provoquent tous les dégâts liés aux tremblements de terre.

a. Onde P : onde de compression

Elles déforment les roches par changement de volume et consistent en des vibrations qui alternent compression et décompression. Elles se déplacent donc en créant des zones de dilatation (zones de décompression) et des zones de compression. Les particules se déplacent alors selon un mouvement avant-arrière dans la direction de la propagation de l'onde (elles ont un mouvement parallèle à la direction de l'onde).

Ce sont les ondes les plus rapides (6 km/s en moyenne) ; elles se propagent dans les solides, les fluides, les gaz, et même l'atmosphère. Elles sont par conséquent les premières à être enregistrées par un sismographe après un tremblement de terre, d'où leur appellation également d'ondes primaires.

b. Onde S : onde de cisaillement

Elles déforment les roches par changement de forme. Ce sont des ondes transversales qui ne sont transmises que par les solides (car les gaz et les liquides n'ont pas l'élasticité pour reprendre leur forme originelle) : elles consistent en des mouvements perpendiculaires à la direction de propagation des ondes. La vitesse de propagation des ondes S dans la croûte terrestre est d'environ 3,5 km/s : elles sont donc enregistrées après les ondes P (d'où leur appellation d'ondes secondaires).

c. Onde L : onde de surface

Elles se propagent à la surface du globe et dans la croûte et provoquent tous les dégâts liés aux tremblements de terre. Elles sont moins rapides que les ondes P et ondes S, mais sont de plus grande amplitude. Les ondes de surface sont analogues aux vagues de l'océan. Ce sont les dernières ondes à être détectées par un sismographe.

3. Propriétés des ondes P et S

Les ondes sismiques de fond se comportent comme des ondes de lumière et de son : elles peuvent être transmises et aussi réfléchies et réfractées.

Les ondes sont réfléchies par des discontinuités dans la Terre, tandis que la réfraction implique un changement de vitesse d'une onde et de sa direction. Si la Terre possédait une composition homogène et si la densité augmentait de façon progressive avec la profondeur, alors les ondes auraient une trajectoire courbe et une vitesse croissante (la vitesse de propagation des ondes est proportionnelle à la densité du matériel dans lequel elles se propagent) ; alors qu'en fait elles sont réfléchies et réfractées par des zones de changement brusque de densité, comme la limite entre le manteau et le noyau.

Ainsi, l'augmentation progressive de la vitesse des ondes P et S dans le manteau indique une hausse de la densité du matériel à mesure qu'on s'enfonce vers le centre de la Terre, mais la propagation des ondes S stoppent brusquement à la limite entre le noyau et le manteau : cela indique que le noyau externe est liquide.

L'essentiel

L'étude de la propagation des ondes sismiques permet aux géologues d'étudier la structure de la Terre.

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