SÉISMES ET SISMOLOGIEOndes sismiques

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Structure globale de la Terre

Le fait que des ondes sismiques puissent se propager sur de grandes distances fut une surprise pour les physiciens qui ont suspecté le phénomène au début du xixe siècle. En 1889, Ernst von Rebeur Paschwitz (1861-1895) observa en Allemagne des ondes sismiques provenant d'un séisme ayant eu lieu au Japon. Il devint alors évident qu'un ébranlement sismique pouvait se propager à travers la Terre entière. La nature solide et élastique de l'ensemble du globe, qui permet aux ondes S de s'y propager, avait été proposée plus tôt par le physicien anglais lord Kelvin (1824-1907), sur fond de débat scientifique entre les partisans du « feu central » avec une Terre en fusion sous une mince écorce terrestre et ceux défendant une Terre rigide. Lord Kelvin a montré en 1863 que, pour expliquer la hauteur des marées océaniques, il fallait concevoir la Terre comme une sphère solide et élastique ayant la rigidité de l'acier. On montrera plus loin dans cet article que ce modèle d'une sphère entièrement solide n'est pas correct, mais il a probablement influencé la conception des premiers modèles sismologiques globaux mis au point au début du xxe siècle.

Dès qu'il fut acquis que les ondes sismiques pouvaient traverser toute la Terre, une nouvelle branche de la sismologie, qui consiste à imager l'intérieur du globe, s’est développée au début du xxe siècle. L'observation d'arrivées d'ondes sismiques anormalement tardives à de très grandes distances de l'épicentre a très vite conduit à lier cette observation à la présence d'un « noyau » dense situé au centre de la Terre, et dont l'existence était déjà soupçonnée au vu de la forte masse volumique moyenne de l'ensemble du globe comparée à celle des roches de surface. Le sismologue britannique, Richard Dixon Oldham (1858-1936), fut le premier à donner un ordre de grandeur du rayon du noyau terrestre en 1906, mais c'est le sismologue allemand Beno Gutenberg (1889-1960) qui le mesura de façon précise peu avant la Première Guerre mondiale. Bénéficiant d'un ensemble de mesures sismologiques et d'outils de traitement mathématique sophistiqués développés à l'observatoire de Göttingen, Beno Gutenberg évalue à 2 900 kilomètres la profondeur à laquelle se situe le noyau, ce qui lui confère un rayon de 3 471 kilomètres, une valeur très proche des 3 486 kilomètres désormais admis pour le rayon du noyau. Toutefois, l'idée que l'on avait du noyau à cette époque était erronée car on le supposait entièrement solide. C'est le Britannique Harold Jeffreys (1891-1989) qui, en 1926, modifia cette conception d'une Terre entièrement solide que lord Kelvin avait proposée une soixantaine d’années plus tôt. C’est en constatant que la rigidité moyenne des modèles élastiques de la Terre expliquant les marées était inférieure à celle que l'on obtenait par la sismologie que Harold Jeffreys proposa l'existence d'un noyau liquide pour concilier les deux types d'observations.

L'étape suivante fut franchie en 1936 par une sismologue danoise, Inge Lehmann (1888-1993). Jusqu’alors, on considérait qu’il y avait une « zone d’ombre » créée par le noyau de la Terre et dans laquelle aucune onde sismique n’était enregistrée par les instruments. Mais Inge Lehmann montra que cette zone d’ombre n’était pas totale car elle y constata la présence d’ondes sismiques de très faible amplitude. Pour expliquer ses observations, elle suggéra que ces ondes provenaient d'ondes P qui, ayant pénétré le noyau, subissaient une réflexion (ondes PKiKP),sur une graine sphérique (noyau interne). Inge Lehmann mesura le rayon de cette graine, lui donnant la valeur de 1 404 kilomètres, ce qui est assez proche des 1 217 kilomètres établis plus précisément par la suite.

Rayons sismiques de type P traversant la Terre

Dessin : Rayons sismiques de type P traversant la Terre

À partir du foyer du séisme, les ondes de volume P se propagent dans les profondeurs de la Terre en suivant des trajets spécifiques (appelés rayons sismiques ou rais sismiques) représentés par les traits noirs. Elles ressortent à la surface aux distances indiquées ici sous forme... 

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Rayons sismiques associés aux ondes de type P traversant la Terre

Dessin : Rayons sismiques associés aux ondes de type P traversant la Terre

La nomenclature indique la partie des rayons sismiques de type P transmis à travers le manteau (P), le noyau externe (K) et la graine (I). La lettre minuscule i désigne la réflexion sur la graine. Ainsi l’onde PKiKP (dont trois sont représentées ici) est une onde qui a traversé le... 

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L'interprétation des temps de parcours des ondes de type P et S traversant la Terre, avec son cortège de réflexions multiples et de conversions d'onde P en onde S et vice versa, permet ainsi d'obtenir les valeurs des vitesses sismiques à toute profondeur. En dessous d'une « croûte » terrestre où les ondes P se propagent à environ 6 km/s et les ondes S à 3,4 km/s, se situe le manteau terrestre. Les vitesses sismiques P et S y valent respectivement 8,1 km/s et 4,6 km/s, en moyenne, juste sous la croûte. Elles croissent régulièrement jusque vers 2 900 kilomètres de profondeur avec des petits sauts de vitesse dans la partie supérieure du manteau. Le fait que le manteau propage les ondes  [...]

Variation des vitesses sismiques et de la masse volumique en fonction de la profondeur

Dessin : Variation des vitesses sismiques et de la masse volumique en fonction de la profondeur

À gauche, la vitesse (exprimée en km/h) des ondes P (P dans le manteau, K dans le noyau externe et I dans la graine) et des ondes S (S dans le manteau et J dans la graine) varie en traversant les différentes couches de la Terre. Pour les ondes S, la vitesse est nulle dans le noyau externe... 

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Différentes ondes sismiques

Différentes ondes sismiques
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Spectre des vibrations sphéroïdales de la Terre dues à un séisme

Spectre des vibrations sphéroïdales de la Terre dues à un séisme
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Sismicité mondiale

Sismicité mondiale
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Rayons sismiques de type P traversant la Terre

Rayons sismiques de type P traversant la Terre
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  • : ancien professeur à l'université de Strasbourg

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Michel CARA, « SÉISMES ET SISMOLOGIE - Ondes sismiques », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 11 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/seismes-et-sismologie-ondes-sismiques/