Sismologie : 9 faits à connaître

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Qu'est-ce que la sismologie?

La sismologie est l'étude des tremblements de terre, de sa dévastation, de ses causes et de sa prédiction. Il conduit en outre à une étude détaillée en termes de structure terrestre et d'imagerie. Comme il est impossible de regarder directement dans la terre. La méthode indirecte est donc utilisée pour connaître la planète Terre et ce qui se passe dans les profondeurs. En sismologie, les ondes sismiques transportent une mine d'informations lorsqu'elles atteignent la surface de la terre. Les ondes sismiques étant de nature mécanique, elles dépendent fortement du milieu dans lequel elles se déplacent. Ainsi, les propriétés physiques du milieu peuvent être extraites. In-situ les propriétés physiques sont extrêmement importantes car la température et la pression affecte sévèrement ces mesures indirectes.

Qui sont les sismologues?

Sismologue

Ceux qui étudient les études de sismologie liées aux tremblements de terre sont «Sismologue«. Il peut être associé à la prévision des tremblements de terre, à la compréhension de la structure terrestre à l'aide d'un sismogramme, à la recherche de la source du tremblement de terre (épicentre et hypocentre), au développement de modèles de terre artificielle à partir de la physique des ondes sismiques pour imiter la terre réelle autant que possible. Il s'agit également d'étudier les tremblements de terre passés pour comprendre le mécanisme du tremblement de terre et pour un système d'alerte précoce si un autre tremblement de terre est imminent.

Sismomètre

Un instrument est utilisé pour les mouvements du sol, tels que ceux causés par des tremblements de terre, des éruptions volcaniques et des explosions.

Sismologie: sismomètre
Crédit d'image: «Sismomètre, Thomas A. Jaggar Museum, Hawaiʻi Volcanoes National Park, Hawaii» by Ken Lund sous est autorisé CC BY-SA 2.0

Pourquoi un tremblement de terre se produit-il?

La partie lithopshérique de la Terre est sous-tendue par l'Asthénosphère. L'ashténosphère, à l'échelle de temps géologique, rampe, c'est-à-dire qu'elle se déplace très lentement bien qu'elle soit solide (l'intérieur de la Terre est considéré comme un solide élastique comme le montrent les ondes sismiques). La plaque lithosphérique assise dessus subit un mouvement en retour. Lorsque les limites des plaques sont verrouillées les unes par rapport aux autres, la plaque mobile les force constamment à se déplacer. Un stade est atteint lorsque la plaque subit un mouvement surmontant les frottements les uns contre les autres libérant la contrainte stockée. Ce phénomène est appelé tremblement de terre. Par conséquent, l'énergie est libérée sous forme d'ondes sismiques et est enregistrée sur les sismomètres.

Que sont les ondes sismiques?

Un tremblement de terre ou toute vibration qui se produit dans la terre agit comme une source d'énergie. L'énergie parcourt la Terre entière sous forme de vagues. Ces ondes mécaniques sont appelées ondes sismiques. Ils se comportent différemment dans diverses parties de la terre et sont donc considérés comme la propriété caractéristique du milieu à travers lequel ils se déplacent. Chaque fois qu'un tremblement de terre se produit, il émet des ondes avec une période allant d'un dixième de seconde à plusieurs minutes. Dans cette plage de période (ou de fréquence), les roches se comportent comme des solides élastiques. Comme les solides élastiques permettent une variété de vagues, ce qui rend le mouvement du sol assez complexe après l'événement.

Une autre façon de représenter le mouvement du sol est en termes de modes normaux. Après un grand tremblement de terre, la terre sonne comme une «cloche». La période de sonnerie est identifiable lorsqu'elle est importante c'est-à-dire supérieure à 40 secondes environ. La fréquence la plus basse a une période d'environ une heure.

Comment la théorie de la sismologie s'est développée?

Chaque fois qu'un tremblement de terre se produit, il émet des ondes de fréquences multiples. La gamme de fréquence d'intérêt permet aux roches de se comporter de manière élastique. La propagation de les ondes sonores dans les médias élastiques est une science éprouvée et dépasse le cadre de la présente discussion. La sismologie a hérité de ce concept. Pour le formalisme mathématique, les milieux sont considérés comme homogènes et isotropes, inventant ainsi parfois le terme « milieux simples » en sismologie.

L’onde qui émane de la source forme un front d’onde sphérique à condition que la source de perturbation soit ponctuelle (principe de Huygen). Cependant, à mesure que l’onde parcourt une distance significative, elle se comporte comme une onde plane. L'approximation des ondes planes est donc utilisée pour d'autres calculs théoriques. Par souci de simplicité, il est pratique de considérer le trajet d'un rayon et de nombreux calculs théoriques ont été réalisés à l'aide de la théorie des rayons.

La sismologie théorique est-elle suffisante pour comprendre la Terre?

La sismologie théorique nous aide simplement à simplifier la propagation des ondes en nous transformant en physique ayant des règles bien pilotées. Cependant, l'observation est essentielle. Une simple approximation n'imite pas l'intérieur de la Terre. Les ensembles de données d'observation sont obtenus à partir des instruments, puis ils sont mis en correspondance avec les ensembles de données théoriques pour les conditions géologiques similaires. Les évaluations sont faites dans les données théoriques et la physique de base à moins qu'elles ne correspondent dans une bonne mesure aux observations. Cet acte de minimisation de l'erreur est appelé optimisation. Ce sujet nécessite des explications plus détaillées. L'obtention du paramètre de modèle théorique à partir des données observées est appelée inversion sismologique.

Comment obtenir des ensembles de données d'observation?

En sismologie, on place un sismomètre au sol. Il s'agit d'un instrument très sensible qui mesure la dépendance temporelle du déplacement du sol. Cependant, ce n’est pas aussi direct qu’il y paraît. Le principe de base réside dans « l’inertie ». La masse est attachée au ressort verticalement et est logée dans une structure en forme de cage qui est maintenue au sol. En raison de la vibration, commence le mouvement différentiel entre la masse suspendue et la cage.

Cela à son tour détecte le mouvement qui peut en outre être interprété quantitativement. L'instrument utilisé est appelé sismomètre. De nos jours, les sismomètres numériques existent. Les données enregistrées sont appelées sismogramme. Un sismogramme typique enregistre les vibrations dans trois directions. Les composantes Est-Ouest, Nord-Sud et Verticale sont les directions de vibration.

Figure1
Sismologie: sismogramme
Crédit d'image: anonyme, Sismogramme, marqué comme domaine public

Types d'ondes sismiques

Les ondes sismiques sont globalement divisées en

  1. Ondes corporelles
  2. Onde de surface.

Cheveux ondulés

L'onde corporelle apparaît en raison de la force corporelle, il s'agit d'un champ de force volumique donné par \\int \\int \\int f dv, où f est la force par unité de volume agissant sur un volume infinitésimal.

Les ondes corporelles sont divisées en:

Ondes primaires / Ondes P: Ces ondes voyagent par déplacements élastiques dans le milieu. Ils voyagent par compressions et raréfactions des particules du milieu élastique dans le sens de propagation des ondes. Cela le rend de nature longitudinale. De cette manière, les particules du milieu subissent un simple mouvement harmonique et l'onde sismique est transmise sous la forme d'un ensemble complexe de mouvements d'ondes. Cela aide à comprendre le comportement sismologique de l'onde telle qu'elle peut être mise dans des formulations mathématiques.

Les ondes primaires sont jusqu’à présent les ondes les plus rapides et atteignent la surface de la Terre en premier. Sur le sismogramme, la première arrivée est l'onde P. Comme le milieu particulaire vibre dans la même direction que la propagation des ondes, les ondes P sont principalement identifiées sur la composante verticale du sismogramme. La vitesse de l’onde P est donnée par \\sqrt{\\frac{\\lambda + 2\\mu }{\\rho }}. \\lambda ainsi que \\mu sont le paramètre élastique (appelé paramètre de Lame) qui contrôle la vitesse. \\rho est la densité.

Onde compression impulsion 1j 30 petit
Crédit d'image: Christophe Dang Ngoc Chan (cdang), Onde compression impulsion 1j 30 petit, CC BY-SA 3.0

Ondes secondaires / onde S : À partir de la source d'énergie elle-même, un autre type de perturbation est produit qui déplace la particule dans la direction perpendiculaire au mouvement des vagues. Cela les rend de nature transversale. Le mouvement transversal des particules entraîne une distorsion par cisaillement du milieu. Ces ondes sont isovolumiques, ce qui signifie que le volume d'une unité donnée reste inchangé pendant la propagation des ondes. La vitesse de l’onde de cisaillement est donnée par \\sqrt{\\frac{\\mu }{\\rho }} . Le seul paramètre élastique qui contrôle la vitesse de l’onde de cisaillement est le module de cisaillement.

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Crédit image: Christophe Dang Ngoc Chan (cdang), Onde cisaillement impulsion 1j 30 petit, CC BY-SA 3.0

L'image du haut représente l'onde S où le mouvement des particules est perpendiculaire à la propagation de l'onde tandis que l'image du bas est l'onde P où le mouvement des particules est en va-et-vient dans la direction de propagation de l'onde. Une différence majeure entre les ondes P et S est que l'onde P peut se déplacer dans tous les milieux tels que le solide, le liquide et le gaz, tandis que l'onde de cisaillement ne peut pas se déplacer dans le fluide. Ainsi, dans le noyau externe de la terre, on voit que l'onde S n'est nulle part. Seule l'onde P existe.

Ondes de surface:

Les ondes de surface sont la manifestation des ondes corporelles. Ils sont comme des ondulations sur le plan d'eau qui se forment lorsque des pierres sont lancées. On considère que leur origine provient de la force de surface qui est représentée par où f est la force agissant par unité de surface.

Types d'onde de surface:

Les ondes de surface sont divisées en:

Onde de Rayleigh:

Il résulte de la superposition de l'onde P avec la composante verticale de l'onde S c'est-à-dire l'onde SV. Comme P et SV sont polarisés dans une direction perpendiculaire l'un par rapport à l'autre. Leur superposition conduit à une polarisation elliptique de l'onde de Rayleigh.

Onde de Rayleigh dans un demi-espace uniforme: Dans un demi-espace uniforme, les ondes de Rayleigh sont de nature non dispersive. Cependant, en réalité, le milieu lui-même n'est pas uniforme, ce qui entraîne la nature dispersive de l'onde de Rayleigh.

Vague de Rayleigh
Crédit d'image: Uploaders: Woudloper, Horloge, Vague de Rayleigh, marqué comme domaine public, plus de détails sur Wikimedia Commons

Qu'est-ce que la dispersion?

La dispersion fait référence à la dépendance en fréquence de la vitesse. Cela signifie que des ondes de fréquences différentes se déplacent à des vitesses différentes. Comme les ondes sismiques émanant de la source contient toute la composante de fréquence allant de 0.001 Hz à 100 Hz.

Il s'agit d'une large gamme de fréquences qui transporte une mine d'informations concernant la structure de la surface au centre de la terre. Comme la fréquence est inversement proportionnelle à la période de temps. Une partie de l'onde à basse fréquence aura une période élevée et donc une plus grande profondeur de pénétration et vice-versa. Une vague avec une période de temps plus longue sera également sensible à la structure de même taille. Par conséquent, si nous sommes intéressés par l'imagerie de la plus grande structure de la Terre, nous devrions choisir une forme d'onde avec une période plus élevée. Pour l'imagerie en couche mince, des ondes avec une période plus basse (fréquence plus élevée) doivent être choisies.

Vague d'amour:

C'est la superposition de la composante horizontale des ondes de cisaillement, c'est-à-dire SH. Cela se produit dans la condition où l'onde de cisaillement reste coincée dans une couche dont la vitesse est supérieure à la surface libre (surface supérieure) et inférieure à celle du demi-espace semi-infini. Dans ce cas, les ondes SH superposées qui ont été réfléchies sous un angle supercritique interfèrent de manière constructive pour former des ondes d'amour. Les vagues d’amour se déplacent horizontalement. Ce sont les plus destructeurs.

Propagation d'onde
Crédit d'image: Nicoguaro, Vague d'amour, CC BY 4.0

Qu'est-ce que l'atténuation des ondes sismiques?

Lors de la transmission à l'intérieur de la terre, l'onde sismique est atténuée de diverses manières.

Epandage géométrique:

Au fur et à mesure que l'onde se propage loin de la source, l'énergie se propage sur une plus grande surface de sorte que la quantité d'énergie par unité de surface continue de diminuer. C'est universel avec toutes sortes de vagues.

Les ondes corporelles et les ondes de surface s'atténuent-elles également?

Non, dans l'étalement géométrique, les ondes corporelles s'atténuent comme tandis que les ondes de surface s'atténuent au fur et à mesure.

2. Atténuation anélastique:

En réalité, la terre n'est pas parfaitement élastique pour propager les ondes sismiques. Le composant anélastique conduit à l'absorption des ondes sismiques dans une certaine mesure, c'est ce qu'on appelle l'atténuation anélastique.

Nature dispersive des ondes sismiques:

Les ondes corporelles sont de nature non dispersive. Alors que les ondes de surface sont dispersives dans certaines conditions. Les ondes de Rayleigh lors du passage dans un milieu homogène ne sont pas dispersives. Alors que les vagues d'Amour sont intrinsèquement dispersives. La dispersion des ondes de surface joue un rôle clé dans la compréhension de la structure terrestre. Les vagues avec une période plus élevée (fréquence plus basse) se déplacent plus rapidement et plus profondément dans la terre et vice versa. Ceci est vrai pour une dispersion normale. Cependant, dans certains cas, le contraire se produit. Dans ces ondes avec une période plus courte se déplace plus rapidement et atteint le capteur avant les ondes de longue période.

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