Sismologie DEUG A. Randrianasolo Faculté des Sciences 2003-2004 Introduction Objectifs Connaissances des principes de propagation des ondes sismiques caractéristiques et effets (cult. gé.) Conclusions sur la structure du Globe Études de la répartition des foyers sismiques (à mettre en relation plus tard avec la tectonique des plaques) Les séismes Définitions : Séisme (tremblement de terre) : passage de vibrations causées par l’ébranlement brutal du sol en un point donné Hypocentre ou foyer : endroit précis où se produit le mouvement initial Épicentre : point situé en surface au-dessus (le plus près) du foyer Caractères Début net Durée faible (quelques secondes à quelques minutes) Origines naturelles ou artificielles A distinguer des «bruits de fonds», microséismes Causes des séismes naturels Impact (météorites) Éruption volcanique (différents des trémors) Tectonique : jeu de faille, mouvement de plaques... exemples modalités (rebond élastique) Présence de forces (compression, distension, transpression....) Accumulation d’énergie Mouvement brutal avec libération d’énergie Impact météoritique (-65Ma) Cratère d’impact CHICXULUB dans le Yucatan (Mexique). Cratère invisible de l’extérieur, révélé par la méthode gravimétrique Séisme sur faille normale Le mouvement d ’une faille normale engendre un séisme Ondes P Ondes S Ondes de surfaces (L) Les ondes sismiques Ondes de volume Onde longitudinale (Ondes P) propagation Onde transversale (Ondes S) propagation dans milieux solides et liquides en milieu solide Ondes de surface Onde de Rayleigh Onde de Love Représentation de la propagation de l ’onde P (longitudinale) Les ondes P se déplacent de gauche à droite sur cette figure Propagation des ondes S De gauche à droite Propagation des ondes de surface Ondes P et S Vp = [(K + 4/3m)/r]1/2 K = module de compression (résistance à la compression) m = Module de cisaillement (résistance au cisaillement) r = densité Vs = (m /r) 1/2 Vitesse des rais sismiques Loi de Snell-Descartes : Sin i/Vp = sin r/V’p Où i = angle d’incidence Vp = vitesse de l’onde P dans le milieu 1 R = angle de réfraction V’p = vitesse de l’onde P dans le milieu 2 Enregistrement Sismographe : Principes (capteur + transducteur + ampli. + enregistreur + horloge) Description Sismographe vertical Sismographe horizontal (au moins 2 par station) Sismogramme (Mécanisme au foyer) Sismographe vertical à droite et horizontal à gauche Sismogramme Le sismographe distant enregistre les ondes P, S et de surface. La coupe montre les trajectoires des ondes. Séisme (illustration) Décrochement et Propagation des ondes Enregistrement sur un sismographe Observations et évaluation Mouvements du sol Action simultanée et/ou successive des différentes ondes Influence de la nature et de la structure du terrain. Roches massives : transmission immédiate des vibrations Roches meubles : emmagasinement de l’énergie avant libération, dégâts plus importants Exemples : Caire, Mexico etc. Accélération au sol La Faille de San Andreas Une rue de San Francisco en 1974 (regarder le trottoir à gauche) 1979 1990 Évaluation Intensité relative Échelle M.S.K. et Mercalli Utilisable en région habitée Corrélation sensation + dégâts / intensité Magnitude Échelle de Richter Mesure de l’énergie libérée M = log(A/T) + F(D) Magnitude M = log (A/T) + F (D) = amplitude maximale en m T = période des ondes de volume en s D = distance épicentrale en degré F = terme empirique compensant l’amortissement du signal A A = amplitude maximum La valeur de l ’amplitude maximum est utilisée pour la détermination de la magnitude Relation magnitude - énergie aM = log E/E0 où a = 1,5 ; E0 = 2,5.1011 erg logE(erg) = 11,4 + 1,5 M ou logE(joules) = 4,8+1,5M Formule d’après Gutenberg et Richter Exemples Chili 1960 (M = 8,9 i-e E = 5.1024 erg) Bombe atomique (Hiroshima 1944) , E = 109 erg Guadeloupe : annuellement environ 2-4 séismes de magnitude 4. Remarque : le nombre de victimes dépend svt de circonstances fortuites et n’est pas pris en compte dans l’échelle M.S.K. Comparaisons avec TNT Magnitude 4,0 5,0 6.0 7.0 8.0 9.0 Energie TNT (approx.) 6 tonnes 199t 6.270t 199.000t 6.270.000t 99.000.000t Sismicité de la Guadeloupe (carte 1994) Séisme du /09/01 Magnitude = 5,1 Épicentre : 30km au nord de la Gde Vigie Profondeur : 20km Détermination du foyer Carte isoséiste utilisation de résultats d’enquête (M.S.K.) écartement des isoséistes f(profondeur du foyer) Calcul à partir de 3 stations sismo. intersection = épicentre hypocentre : (triangle d’incertitude plus vaste = hypocentre profond) ; utilisation également des ondes P et pP Exemple Les ondes sismiques sont enregistrées par les stations A, B et C à des « heures différentes » Evaluation de la distance « foyer stations sismographiques » Cette figure montre les intervalles de temps entre l ’arrivée des ondes P et S dans les 3 stations A, B et C de l ’image précédente Méthode des S-P Connaissant l’arrivée respective des ondes P et S dont on connaît par ailleurs les vitesses de déplacement, il est possible de déterminer l’heure de départ et la distance parcourue Calcul de la distance épicentrale Temps d ’arrivée de P tp = t0 + d/Vp Temps d ’arrivée de S ts = t0 + d/Vs ts-tp = (d/Vs - d/Vp) = d.(1/Vs-1/Vp) (voir abaque) sinon dans la croûte, 1/Vs-1/Vp = 1/8 Localisation de l ’épicentre à partir des données recueillies sur les 3 stations A, B et C Les cercles représentent le lieu géométrique de l ’épicentre pour chaque station. Sachant qu ’il s ’agit d ’un seul séisme, l ’épicentre se trouve donc à l ’intersection des trois cercles. Méthode des S-P Connaissant l’arrivée respective des ondes P et S dont on connaît par ailleurs les vitesses de déplacement, il est possible de déterminer l’heure de départ et la distance parcourue Autres effets Seiches : Exemple : Lisbonne 1755 (Bateaux à Rotterdam) Tsunami : Exemple 1 : Lisbonne 1755 ( mer : + 15m à Tanger, + 2,5 km à l’intérieur des terres ; et + 3m en Guadeloupe et Martinique) Ex.2 Chili 1960 (houle +30m, v = 700km.h-1, destruction de Hilo (Hawaii à 11.000km), et 5000 maisons détruites au Japon (17.000km) Ex.3 Papouasie Nouvelle Guinée (18.07.98) séisme M=7,2 ; Houle = 10m, plusieurs villages détruits (Aitape), >3000 victimes Tsunami Arrivée des vagues précédée par un retrait important de la ligne de rivage Autres effets Enregistrement géologique : sédiments particuliers apparentés aux tempestites Erosion, discordance, granoclassement, figures d’échappement… Ex.: limite K/T Nappes phréatiques Variation du niveau de la nappe phréatique (Californie) Transmission des ondes à travers le Globe Propagation des ondes vitesse : fonction de la nature et de la densité du milieu traversé rappel : P traverse liquide et solide ; S ne passe qu’à travers un solide. Les discontinuités internes du Globe sismique réflexion sismique réfraction Les discontinuités et «frontières» obs.1 : existence d’une zone d’ombre de P entre 105° et 142° p.rap. au foyer sismique Déduction présence et calcul : d’une discontinuité V1 > V2 frontière à -2894km + ou - 2km Nom : Discontinuité de Gütemberg séparation Manteau - Noyau externe Existence de zones d ’ombre pour les ondes P et les ondes S Discontinuité de Gütemberg Observation 2 L’onde S ne traverse pas cette frontière L’onde P est fortement ralentie Conclusion : Le manteau est solide Le noyau externe est liquide La Graine obs.3 : Nette accélération de l’onde P localisation : à - 5121km + ou - 2km Conclusion : Graine solide Frontières (suite) obs.4 : Mohorovicic (08.10.1909) Réfraction des ondes P et S de grande amplitude alors que les réflexions étaient bcp plus faibles déduction : présence d’une discontinuité avec V1 < V2 à - 50km Frontière Croûte (ou Écorce) - Manteau (+dense) Nom : Moho ; profondeur variable (-9 à -70km) Transition (1) obs.5 : Diminution de la vitesse de propagation de P et de S vers - 150km décroît de 8,1-8,3 km/s à 7,7-7,8km/s VS décroît de 4,8 à 4,2 km/s VP Déduction : passage à z. de densité moindre (ou de fusion partielle) Limite lithosphère - asthénosphère Transition (2) obs. 6 : Existent 3 accélérations de P et S entre L.V.Z. et disc. de Gütemberg. 7,8 à 8,5km/s (fin de la L.V.Z.) onde P 9 à 10,2km/s 11 à 13,6km/s Déduction : existent des changements de phase minéralogique (Olivine-spinelle-perovskite) (spinelle - Grenat : SiO6) vers - 400km (type perovskite : CaTiO3) à - 700km Nom : Mésosphère (-700km - 2894m) Variations de vitesses des ondes P et S en fonction de la profondeur Schéma synthétique Transition (3) obs.7 : Réflexion et diffraction sur surface tourmentée, onduleuse, avec des pics et des creux (obs... sur réseaux denses de sismo. en Norvège) localisation : transition entre manteau inférieur et noyau externe nature : n’est pas entièrement solide zone réactionnelle entre les 2 entités en prés. nom : zone D’’ La couche D ’ ’ Mise en évidence de la couche D seconde par un réseau dense de sismographes. Les ondes sismiques régulières sont déformées par diffraction par la couche D » Transition (4) obs.8 : Existe au sein de l’écorce (ex.: fossé rhénan) une zone de ralentissement de VP : 6,0km/s à 5,5 puis 6,8km/s déduction : séparation croûte sup./croûte inf. Remarque : n’est pas présente partout. Structure interne du Globe (Conclusions) Abréviations utilisées dans les 2 tableaux suivants : C = Croûte ou Écorce M = Manteau E = Noyau externe G = Graine ou noyau interne Variations de vitesse des ondes P Vpu Continent Vpu océan C1 1,7 – 3 C2 4,2 – 5,8 0 granite 4,7 – 5,1 0 C3 6,5 –7,10 granulite 6,8 – 6,9 0 M1 8 – 8,3 0 8,1 0 Basalte (pillowlava) Gabbro, Péridotite litée Péridotite M2 7,8 1 7,8 1 L.V.Z. M3 8,5 0 9 – 10,2 0 0 11 – 13,6 D’’ sédim 2<Vpu<5 sédiments Olivine Spinelle Perovskite Zone réactionnelle Variations de vitesse des ondes P Vpu M3 11-13,6 0 D’’ 13,2 1 Discontinuités Zone réactionnelle A surface perturbée GUTEMBERG – 2894km E 8,1 – 9,5 0 Liquide LEHMAN – 5121km G 11,2 0 Solide Autres applications Sismique réflexion ondes réfléchies détails structures superficielles Sismique réfraction « angles limites » « ondes coniques » Méthode de prospection « Géophysique marine » Tomographie sismique En haut : localisation de la coupe En bas : tomographie sismique. Rouge = chaud Bleu = froid Conclusion : existence d ’hétérogénéité au sein du manteau Tomographie sismique Sud Est Asiatique 1°) 56km 2°) 146km 3°) 260km 4°) 390km Localisation des zones sismiques Analyse des cartes sismiques Répartition dans l’espace Dorsales (proche des dorsales) Rifts continentaux Chaînes de montagnes jeunes Arcs insulaires Points isolés en relation avec des volcans Répartition en profondeur Carte sismique du monde Carte schématique Petites Antilles Isc-seis4.4 Localisation des hypocentres En profondeur : Séismes «superficiels» (0 - 200km) Proches des dorsales, des rifts, chaînes de montagnes jeunes, cordillères, arcs volcaniques, autres régions volcaniques. Séismes profonds (200 - 700km) Relation avec les fosses océaniques : Surface de Wadati-Bénioff : de 0 -700km. Absent aux dorsales, rifts et failles en décrochement type San Andreas (=faille transformante) Carte sismique du Japon Localisation des séismes de 1960 à 2002 Largeur des coupes de part et d ’autre du profil = 50km
