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Résumé du cours Première Partie: sismologie

1) Un peu d’histoire :

1914, Barrel développe de concept de lithosphère rigide et d’asthénosphère ductile.

1935, Wadati publie un article montrant que les foyers des séismes au Japon étaient

répartis suivant un plan incliné ou plan de Wadati.

A partir de 1950 étude de la topographie des fonds océaniques principalement par la

méthode du sonar. Le sonar détermine la profondeur d'eau en mesurant le temps

nécessaire de l'aller-retour d'une onde sonore entre le bateau et le fond marin. Cela a

permit la mise en évidence d'une topographie très caractéristique avec des chaines de

montagne et des fosses océaniques très profondes.

Figure 1.1 : Topographie des fonds océaniques

1955, Benioff poursuit les recherches de Wadati, et le plan de répartition des séismes

sous les fosses est aujourd'hui connu sous le nom de zone de Wadati-Benioff.

1967, Jack Oliver et Bryan Isacks interprètent ces plans comme la trace de la lithosphère

océanique retournant dans le manteau. Ces lieux de disparition de la lithosphère

océanique seront appelées plus tard "zones de subduction".

1990 la tomographie sismique permet de repérer des anomalies thermiques au sein du

manteau

2) Les tremblements de Terre

Pourquoi y-a-t-il des tremblements de Terre ?

Il y a des tremblements de Terre car notre planète est active et que sa partie superficielle, lalithosphère, est fragile. Un séisme correspond à un mouvement sur une faille à l'intérieur de lalithosphère. Cette rupture engendre des secousses plus ou moins violentes et destructrices.

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Figure 1.2 : représentation en coupes les couches de la terre

Notre planète est active. En effet, il existe un flux de chaleur qui va du centre vers l'extérieurde la terre. Ce flux de chaleur est généré par des désintégrations radioactives et engendredes cellules de convection dans l'asthénosphère.

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Figure 1.2 : représentation en coupes les couches de la terre

Notre planète est active. En effet, il existe un flux de chaleur qui va du centre vers l'extérieurde la terre. Ce flux de chaleur est généré par des désintégrations radioactives et engendredes cellules de convection dans l'asthénosphère.

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Figure 1.2 : représentation en coupes les couches de la terre

Notre planète est active. En effet, il existe un flux de chaleur qui va du centre vers l'extérieurde la terre. Ce flux de chaleur est généré par des désintégrations radioactives et engendredes cellules de convection dans l'asthénosphère.

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Figure 1.3 :

La tectonique des plaques lithosphériques est une théorie scientifique qui propose que lesdéformations de la surface terrestre sont reliées aux forces internes de la terre.

Les déformations de la surface terrestre se traduisent par le découpage de la partiesuperficielle de la terre en un certain nombre de plaques rigides qui bougent les unes parrapport aux autres.

limite divergente limite convergente limite transformant

a)

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Figure 1.3 :

La tectonique des plaques lithosphériques est une théorie scientifique qui propose que lesdéformations de la surface terrestre sont reliées aux forces internes de la terre.

Les déformations de la surface terrestre se traduisent par le découpage de la partiesuperficielle de la terre en un certain nombre de plaques rigides qui bougent les unes parrapport aux autres.

limite divergente limite convergente limite transformant

a)

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Figure 1.3 :

La tectonique des plaques lithosphériques est une théorie scientifique qui propose que lesdéformations de la surface terrestre sont reliées aux forces internes de la terre.

Les déformations de la surface terrestre se traduisent par le découpage de la partiesuperficielle de la terre en un certain nombre de plaques rigides qui bougent les unes parrapport aux autres.

limite divergente limite convergente limite transformant

a)

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b)

Figure 1.4 : La très grande majorité des séismes est localisée sur des failles à la frontière desplaques tectoniques.

Séismes ou tremblement de terre :

Un tremblement de terre est le résultat d'un relâchement brutal et quasi-instantané de forcesgéologiques qui se sont accumulées pendant des milliers d'années. Ces forces sont imposéespar des déplacements lents mais continus de la lithosphère, conséquences du déplacement desplaques tectoniques (mouvements de rapprochement ou d'écartement ou bien encore decoulissage des plaques).Les parois de la faille mises en mouvement, frottent l'une contre l'autre, de telle sorte qu'il y adissipation de l'énergie, d'une part sous forme de chaleur obtenue par frottement, et d'autrepart sous forme de vibrations, les ondes sismiques, qui se propagent dans toutes les directionsà partir du foyer et que l'on peut enregistrer sur un sismomètre. On peut illustrer facilementcette notion avec l'image de la pierre jetée à l'eau. Celle-ci donne naissance à des ondes quis'éloignent du point d'impact. De la même manière, les ondes sismiques se propagent à partirdu foyer d'un tremblement de terre.

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b)

Figure 1.4 : La très grande majorité des séismes est localisée sur des failles à la frontière desplaques tectoniques.

Séismes ou tremblement de terre :

Un tremblement de terre est le résultat d'un relâchement brutal et quasi-instantané de forcesgéologiques qui se sont accumulées pendant des milliers d'années. Ces forces sont imposéespar des déplacements lents mais continus de la lithosphère, conséquences du déplacement desplaques tectoniques (mouvements de rapprochement ou d'écartement ou bien encore decoulissage des plaques).Les parois de la faille mises en mouvement, frottent l'une contre l'autre, de telle sorte qu'il y adissipation de l'énergie, d'une part sous forme de chaleur obtenue par frottement, et d'autrepart sous forme de vibrations, les ondes sismiques, qui se propagent dans toutes les directionsà partir du foyer et que l'on peut enregistrer sur un sismomètre. On peut illustrer facilementcette notion avec l'image de la pierre jetée à l'eau. Celle-ci donne naissance à des ondes quis'éloignent du point d'impact. De la même manière, les ondes sismiques se propagent à partirdu foyer d'un tremblement de terre.

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b)

Figure 1.4 : La très grande majorité des séismes est localisée sur des failles à la frontière desplaques tectoniques.

Séismes ou tremblement de terre :

Un tremblement de terre est le résultat d'un relâchement brutal et quasi-instantané de forcesgéologiques qui se sont accumulées pendant des milliers d'années. Ces forces sont imposéespar des déplacements lents mais continus de la lithosphère, conséquences du déplacement desplaques tectoniques (mouvements de rapprochement ou d'écartement ou bien encore decoulissage des plaques).Les parois de la faille mises en mouvement, frottent l'une contre l'autre, de telle sorte qu'il y adissipation de l'énergie, d'une part sous forme de chaleur obtenue par frottement, et d'autrepart sous forme de vibrations, les ondes sismiques, qui se propagent dans toutes les directionsà partir du foyer et que l'on peut enregistrer sur un sismomètre. On peut illustrer facilementcette notion avec l'image de la pierre jetée à l'eau. Celle-ci donne naissance à des ondes quis'éloignent du point d'impact. De la même manière, les ondes sismiques se propagent à partirdu foyer d'un tremblement de terre.

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3) Sismomètre :

Les sismomètres :

Les sismomètres servent à détecter les mouvements du sol et en particulier ceux dus auxondes sismiques.

Comment ça marche?

Le principe d'un sismomètre consiste à suspendre une masse à un ressort (dans le cas de lacomposante verticale) ou à une ficelle (dans le cas des composantes horizontales).

Figure 1.5 : sismographe

Ainsi, lorsque le support, attaché au bâtiment fixé sur le sol, tremblera, la masse resteraimmobile dans le référentiel terrestre.

En mesurant les mouvements de la masse par rapport au support (par exemple en mettant uncrayon ou quelque chose de marquant sur la masse et un papier défilant attaché au support,comme montré ci-dessus), on obtient alors un sismogramme comme celui ci-dessous qui nouspermet de mesurer les mouvements du sol.

Figure 1.6 : Sismogramme

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Les sismomètres sont, en général, composés de trois composantes dans une station, afin depouvoir enregistrer et mesurer toutes les ondes émises lors d'un séisme, de capter toutes lesvibrations. On a donc:

-une composante verticale: qui permet d'enregistrer les vibrations verticales du sol

-deux composantes horizontales : (Nord-Sud et Ouest-Est): qui permettent d'enregistrer lesvibrations dans un plan horizontal, et en particulier celles dues aux ondes S et aux ondes deLove.

A l'aide de ces trois composantes, on peut visualiser en 3 dimensions la propagation des ondes(vitesse, direction) et, en sachant la vitesse des différentes ondes P et S, et leur amplitude, onpeut surtout localiser le foyer d'un séisme à partir de l’enregistrement d’un seul séisme surtrois station différente, (et mesurer sa magnitude).

Question et réponse :

Que mesure un sismogramme?

Il permet de détecter les mouvements du sol. Il inscrit le tracé des vibrations sur le papier.

Localisation du séisme Station d'enregistrement Heure du séisme Amplitude de l’onde

4) Tonga :

Subduction:

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Figure 1.7

Figure 1.8 : subduction

Le prisme d’accrétion : cumulation des sédiments du fond océanique

Fosse : front profond, signe de la subduction

Dans une zone d'enfoncement d'une lithosphère sous une autre,(océanique oucontinental) (subduction) comme :Guadalupe (Martinique-montagne pelée) ou les Andes oula ceinture de feu du Pacifique, on observe un volcanisme explosif témoignant d'une activitémagmatique importante.

Comment, dans un contexte de subduction, se met en place l'activité magmatique etComment cette dernière intervient dans la production de nouveaux matériauxcontinentaux ?

I. Mise en place l'activité magmatique dans un contexte de subduction.A- Le matériau enfoui est (le plus souvent) de la lithosphère océanique sous unelithosphère océanique ou continentale.

Andes : subduction océan / continent - Antilles : subduction intra-océanique.

B- Les matériaux de la croûte enfouie se déshydratent d’où un ensemble detransformations minéralogiques qui constituent un métamorphisme.

Métamorphisme HP/BT : faciès schistes bleus puis éclogite (grenat anhydre).

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C- L’eau libérée provoque la fusion (partielle) des péridotites du manteau (de lalithosphère supérieure, non enfouie), à l’origine du magma.

Franchissement solidus car péridotite hydratée d'où fusion partielle (péridotitemantellique fond en partie) : remontée des gouttelettes et "regroupement" au sein de lachambre magmatique.

Que devient alors ce magma ?

II. Activité magmatique et production de nouveaux matériaux continentaux.

A- Le magma formé peut remonter en surface : volcanisme avec laves de typeandésite.

Laves visqueuses et associées à des gaz : dynamique explosive (volcans gris).

B- Des magmas cristallisent en profondeur (plutonisme).

Plutonisme = formation de roches à structure grenue de type granitoïde.

C- L'accrétion continentale.

Un magma, d’origine mantellique, aboutit ainsi à la création de nouveaux matériauxcontinentaux.

Propagent à partir du foyer d'un tremblement de terre.

Figure 1.9 : Présentation foyer sismique

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C- L’eau libérée provoque la fusion (partielle) des péridotites du manteau (de lalithosphère supérieure, non enfouie), à l’origine du magma.

Franchissement solidus car péridotite hydratée d'où fusion partielle (péridotitemantellique fond en partie) : remontée des gouttelettes et "regroupement" au sein de lachambre magmatique.

Que devient alors ce magma ?

II. Activité magmatique et production de nouveaux matériaux continentaux.

A- Le magma formé peut remonter en surface : volcanisme avec laves de typeandésite.

Laves visqueuses et associées à des gaz : dynamique explosive (volcans gris).

B- Des magmas cristallisent en profondeur (plutonisme).

Plutonisme = formation de roches à structure grenue de type granitoïde.

C- L'accrétion continentale.

Un magma, d’origine mantellique, aboutit ainsi à la création de nouveaux matériauxcontinentaux.

Propagent à partir du foyer d'un tremblement de terre.

Figure 1.9 : Présentation foyer sismique

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C- L’eau libérée provoque la fusion (partielle) des péridotites du manteau (de lalithosphère supérieure, non enfouie), à l’origine du magma.

Franchissement solidus car péridotite hydratée d'où fusion partielle (péridotitemantellique fond en partie) : remontée des gouttelettes et "regroupement" au sein de lachambre magmatique.

Que devient alors ce magma ?

II. Activité magmatique et production de nouveaux matériaux continentaux.

A- Le magma formé peut remonter en surface : volcanisme avec laves de typeandésite.

Laves visqueuses et associées à des gaz : dynamique explosive (volcans gris).

B- Des magmas cristallisent en profondeur (plutonisme).

Plutonisme = formation de roches à structure grenue de type granitoïde.

C- L'accrétion continentale.

Un magma, d’origine mantellique, aboutit ainsi à la création de nouveaux matériauxcontinentaux.

Propagent à partir du foyer d'un tremblement de terre.

Figure 1.9 : Présentation foyer sismique

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Comment vibre la terre ?

- Les ondes sismiques générées à la source se propagent à l'intérieur du globe. Leurvitesse de propagation dépend du matériau traversé et d'une manière générale elle augmenteavec la profondeur.

On distingue deux types d'ondes de volumes générées au niveau de la source sismique, lesondes P et les ondes S.

- Les ondes P ou ondes primaires sont aussi appelées ondes de compression. Ledéplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par dilatation et compressionsuccessives, parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Ce sont les plus rapides(6000 mètres par seconde près de la surface) et sont enregistrées en premier sur unsismogramme.

- Figure 1.10 : Onde Primaire ou Longitudinale

- Les ondes S ou ondes secondaires sont aussi appelées ondes de cisaillement. A leurpassage, les mouvements du sol s'effectuent perpendiculairement au sens de propagation del'onde. Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides, elles sont en particulierarrêtées par le noyau de la Terre. Leur vitesse est plus lente que celle des ondes P, ellesapparaissent en second sur les sismogrammes.

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Comment vibre la terre ?

- Les ondes sismiques générées à la source se propagent à l'intérieur du globe. Leurvitesse de propagation dépend du matériau traversé et d'une manière générale elle augmenteavec la profondeur.

On distingue deux types d'ondes de volumes générées au niveau de la source sismique, lesondes P et les ondes S.

- Les ondes P ou ondes primaires sont aussi appelées ondes de compression. Ledéplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par dilatation et compressionsuccessives, parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Ce sont les plus rapides(6000 mètres par seconde près de la surface) et sont enregistrées en premier sur unsismogramme.

- Figure 1.10 : Onde Primaire ou Longitudinale

- Les ondes S ou ondes secondaires sont aussi appelées ondes de cisaillement. A leurpassage, les mouvements du sol s'effectuent perpendiculairement au sens de propagation del'onde. Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides, elles sont en particulierarrêtées par le noyau de la Terre. Leur vitesse est plus lente que celle des ondes P, ellesapparaissent en second sur les sismogrammes.

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Comment vibre la terre ?

- Les ondes sismiques générées à la source se propagent à l'intérieur du globe. Leurvitesse de propagation dépend du matériau traversé et d'une manière générale elle augmenteavec la profondeur.

On distingue deux types d'ondes de volumes générées au niveau de la source sismique, lesondes P et les ondes S.

- Les ondes P ou ondes primaires sont aussi appelées ondes de compression. Ledéplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par dilatation et compressionsuccessives, parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Ce sont les plus rapides(6000 mètres par seconde près de la surface) et sont enregistrées en premier sur unsismogramme.

- Figure 1.10 : Onde Primaire ou Longitudinale

- Les ondes S ou ondes secondaires sont aussi appelées ondes de cisaillement. A leurpassage, les mouvements du sol s'effectuent perpendiculairement au sens de propagation del'onde. Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides, elles sont en particulierarrêtées par le noyau de la Terre. Leur vitesse est plus lente que celle des ondes P, ellesapparaissent en second sur les sismogrammes.

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Figure 1.11 : Onde secondaire ou Transversale

A partir d'une certaine distance on observe des ondes guidées par la surface de la Terreappelées ondes de surface. On distingue deux types d'ondes de surface, les ondes deRayleigh (R) et les ondes de Love (L). Ces ondes de surface sont moins rapides que lesondes de volume mais se propagent sur de plus grandes distances.

Exemple de calcul :

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Figure 1.11 : Onde secondaire ou Transversale

A partir d'une certaine distance on observe des ondes guidées par la surface de la Terreappelées ondes de surface. On distingue deux types d'ondes de surface, les ondes deRayleigh (R) et les ondes de Love (L). Ces ondes de surface sont moins rapides que lesondes de volume mais se propagent sur de plus grandes distances.

Exemple de calcul :

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Figure 1.11 : Onde secondaire ou Transversale

A partir d'une certaine distance on observe des ondes guidées par la surface de la Terreappelées ondes de surface. On distingue deux types d'ondes de surface, les ondes deRayleigh (R) et les ondes de Love (L). Ces ondes de surface sont moins rapides que lesondes de volume mais se propagent sur de plus grandes distances.

Exemple de calcul :

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Figure 1.15 : sismogramme

- Δ : distance épicentrale (de l’épicentre à la station de mesure)

tP : temps d’arrivé de l’onde P - tS : temps d’arrivé de l’onde S

VP : vitesse des ondes P - VS : vitesse des ondes S

On connaît le temps d’arrivée de l’onde P [ tP = t0+ ∆⁄ ] 01

Et celui de l’onde S [ tS = t0+ ∆⁄ ] 02On en déduit donc la distance à l’épicentre (point de surface géographique le plus proche dufoyer ou hypocentre où a débuté le séisme), Δ.

Ou Δ = (tS – tP). [ (Vs-Vp)/(Vp-Vs )] 03

A partir d’au moins trois stations on peut déterminer la localisation géographique del’épicentre.De chaque station en détermine la distance épicentrale (et de chaque distance en trace uncercle, l’intersection entre ces cercle et le point épicentrale du séisme.Sur la figure 2.3 ci-dessus, le point d’intersection des trois cercles (point rouge) représente lalocalisation de l’épicentre du séisme.

Remarque

Si l’on souhaite connaître la profondeur ou l’hypocentre du séisme, il faudrait alors tracer dessphères et non plus des cercles.

Mesures et principes de localisation :

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Figure 1.16 : Déterminer Latitude Longitude Profondeur

X = distance hypocentrale (distance focale)h = Profondeur du foyerD = Distance épicentrale

Figure 1.17 : localisation de l’épicentre d’un séisme méthode des cercles.

Les failles

Les types de faille

Différents types de failles est plis en fonction des contraintes exercées sur les couches rocheuses cassanteet/ou ductile.

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5) Etude de mécanisme au foyer :

L'étude du mécanisme au foyer d'un séisme permet de rendre compte du mouvement relatif entre lesdeux compartiments de roche au moment de la rupture le long du plan de faille les séparant.

Les sismologues ont étudié les mouvements du sol observés dans différentes stations. On constateque pour les mouvements contemporains à l'arrivée des ondes P, deux situations sont possibles :

- A) les particules se déplacent en direction du foyer :

il y a donc dilatation au niveau de la station.- B) les particules semblent s’éloigner du foyer :

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il y a donc compression au niveau de la station.

Un réseau de stations permet donc d'établir une cartographie des secteurs du globe ayant subi unecompression (ces stations sont alors représentées par le signe "+") ou une dilatation (représentésalors par le signe "-").

Pour déterminer le mécanisme au foyer d'un séisme, on assimile la Terre a une sphère dont le centreest le foyer du séisme (c'est la sphère focale). On reporte sur cette sphère, par projection, les stationsayant enregistré le séisme en indiquant le sens des premiers mouvements liés aux ondes P(compression ou dilatation). On établit ainsi 4 secteurs en compression-dilatation, délimités par lesplans nodaux. Par convention, on utilise le mode de représentation suivant :

Pour les secteurs ayant subi les premiers mouvements en compression (+), le mécanisme au foyerest la tension : le quadrant est représenté noir,

Pour les secteurs ayant subi les premiers mouvements en dilatation (-), le mécanisme au foyer est lacompression : le quadrant est représenté en blanc.

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Si on considère les 3 principaux mouvements relatifsqui peuvent avoir lieu au niveau d'une faille, on a doncles représentations suivantes :

Exercice : Si on considère la représentation des mécanismes au foyer dans les principaux contextesgéodynamiques, on obtient la représentation suivante.

Citer les failles :

Exercice :

Réponse :

A : Extension (axe des dorsales)B : Décrochement (failletransformant ou failleintracontinentale décrochant)C : Compression (le long d'unplan de subduction)D : Compression(chevauchement intracontinental)E : Extension (rift intracontinental)

F : Extension (flexure avant-fosse)

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Lors de l’enregistrement des ondes d’un séisme profond dont l’épicentre E est situé àégale distance de deux stations d’enregistrement (Fidji et Tonga), on constate que lesOndes P arrivent 2 sec. Plus tard à la station Fidji qu’à la station Tonga.

D’apprêt vous pourquoi?