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Raisonner… Quelques apports de la sismologie
Définition d’une onde (Rappels de physique)
Une onde est la propagation d’une perturbation produisant un changement réversible des propriétés physiques locales
du milieu. Elle se déplace dans toutes les directions, à une vitesse déterminée qui dépend des caractéristiques du
milieu de propagation. Une onde véhicule de l’énergie, sans déplacer de matière.
Rappels sur les ondes sismiques
Un séisme est le résultat d’une libération brusque d’énergie accumulée par les contraintes exercées sur une roche, et
se manifestant par sa rupture brutale en profondeur en un point appelé foyer. Il y a dissipation d’énergie, d’une part
sous forme sous forme de transfert thermique, et d’autre part sous forme de vibrations qui se propagent dans une roche
de proche en proche ; ce sont les ondes sismiques.
Si la station est suffisamment éloignée de l’épicentre, on note sur l’enregistrement 3 grands types d’ondes : les ondes
P, les ondes S qui se propagent à l’intérieur du globe et les ondes de surface, plus destructrices.
Les lois de Snell-Descartes
On considère qu’une onde sismique se propage comme un rayon lumineux selon les lois de Snell-Descartes. Lorsque
le rayon lumineux 1 franchit une surface séparant deux milieux aux propriétés physiques différentes (discontinuité),
alors le rayon 1 est dévié (diffracté) selon deux modalités :
-
Une partie du rayon 1 est réfléchie (rayon 2) : dans ce cas, l’angle
d’incidence i1 est égal à l’angle de réflexion r.
L’autre partie du rayon 1 est réfractée (rayon 3) : dans ce cas l’angle
d’incidence i1 est proportionnel à l’angle de réfraction i2 d’après la
relation : n1 x sin i1 = n2 x sin i2 où n1 et n2 sont les indices de
réfraction du milieu.
On définit n d’après la relation : n = C/V où C = vitesse de la lumière
et V = vitesse dans le milieu d’où la loi :
Discontinuité
V1 x sin i2 = V2 x sin i1
La mise en évidence d’une discontinuité, le MOHO
Pour connaître la structure interne de la Terre, les géologues s’intéressent aux ondes P qui se propagent dans les
milieux solides et dans les milieux liquides, et aux ondes S qui ne se déplacent que dans les milieux solides. Le 8
octobre 1909, André Mohorovicic observe des sismogrammes quand, tout à coup, les stylets s’agitent : voici les ondes
P, puis les ondes S, puis… de nouveaux des ondes P et de nouveau des ondes S (ondes PMP) !
Des calculs mathématiques confirment l’hypothèse de Mohorovicic : il existe en profondeur une enveloppe terrestre qui
n’a ni la même densité, ni les mêmes propriétés physiques que la croûte terrestre et qui diffracte les ondes. Selon les
propres termes de Mohorovicic, une « discontinuité » sépare la croûte terrestre du manteau, appelée en hommage
« discontinuité de Mohorovicic » ou « Moho ».
Exercice 1 : La profondeur du Moho en Savoie
Le 19 janvier 1991, un séisme est enregistré sur les sismomètres de la station OG02 (Annemasse, Savoie). La station
OG02 est située à d = 63,3 km de l’épicentre E. L’hypocentre F est situé à une profondeur focale h = 11 km.
Fig. 1 – Sismogramme du 19/01/1991 enregistré à la station OG02
Le plan P correspond à l’heure d’arrivée des ondes P directes, le plan PMP à l’heure d’arrivée des ondes P réfléchies et
le plan S à l’heure d’arrivée des ondes S. Les ondes PMP arrivent à 3 h 12 min 15,580 s, entre les ondes P arrivées à 3
h 12 min 15,540 s et les ondes S.
1°) Schématisez la situation en plaçant l’épicentre E, l’hypocentre F, la station O, la surface terrestre et la discontinuité
de Mohorovicic, sans échelle. Placez les distances d séparant l’épicentre de la station et h correspondant à la
profondeur du Moho (épaisseur de la croûte).
2°) A l’aide des lois de Snell-Descartes, tracez les rais sismiques de l’onde directe (P) et de l’onde réfléchie (PMP) sur
le schéma de la question 1.
3°) En utilisant la figure 1 et sachant que la vitesse des ondes P est V = 6 km.s-1, calculez l’épaisseur de la croûte
terrestre en sachant que les ondes PMP se propagent dans un milieu homogène, donc à vitesse moyenne constante.
4°) Comparez la profondeur du Moho sous les continents avec celle du Moho sous les océans qui est en moyenne à 6
km.
D’autres sismogrammes pour s’entraîner : http://www2.ac-lyon.fr/enseigne/biologie/spip.php?article176