Enregistrement des ondes sismiques sur un sismogramme

Frédéric Chambat

Laboratoire des Sciences de la Terre, ENS Lyon

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

19/04/2004

Résumé

Mode de propagation des différents types d'ondes et enregistrement sur un sismogramme.


Table des matières

Question

« J'aimerais savoir pourquoi on visualise sur le même sismogramme les ondes P et S alors qu'a priori les sismographes sont adaptés pour vibrer dans une seule direction de l'espace. D'autre part, j'aimerais comprendre (mais simplement !) l'origine des ondes L. »

Réponse

Les ondes sismiques se propagent dans toutes les directions de l'espace à partir du foyer du séisme. En un point donné de la surface terrestre, au niveau d'une station d'enregistrement, la direction de propagation des ondes n'a aucune raison d'être verticale ou horizontale (c'est-à-dire sur une direction du sismomètre).

Figure 1. Représentation schématique de la propagation des ondes sismiques à partir du foyer du séisme

Représentation schématique de la propagation des ondes sismiques à partir du foyer du séisme

La direction de propagation des ondes est représentée par les rais sismiques.


Le sismomètre enregistre les déplacements du sol dans les trois directions de l'espace (axe Z ou V : vertical, axe E ou EO : axe Est-Ouest, axe N ou NS : axe Nord-Sud). Certains sismomètres n'enregistrent les déplacements que dans une direction, d'autres peuvent enregistrer en même temps les déplacements dans les trois directions. Ces déplacements sont liés aux directions de vibration des ondes.

La direction de vibration de l'onde P étant parallèle à la direction de propagation et la direction de propagation n'étant pas forcément perpendiculaire à la surface du sol, on peut enregistrer un déplacement lié au passage de l'onde P sur les 3 axes du repère (voir la projection du vecteur P sur les 3 axes sur la figure 2).

Figure 2. Mise en évidence des différentes composantes du déplacement de matière lié au passage de l'onde P sur les 3 axes d'un sismomètre

Mise en évidence des différentes composantes du déplacement de matière lié au passage de l'onde P sur les 3 axes d'un sismomètre

En violet, la direction de propagation de l'onde sismique et en bleu le déplacement lié au passage de l'onde P.


L'onde S ayant une direction de vibration perpendiculaire à la direction de propagation, on peut la décomposer en deux ondes  :

  • Une onde SH, telle que sa direction de vibration est perpendiculaire au plan d'incidence (qui est le plan contenant la verticale et la direction de propagation, en bleu sur les figures 3 et 4).
  • Une onde SV, telle que sa direction de vibration est dans le plan d'incidence et bien sûr dans le plan de polarisation de l'onde S, c'est-à-dire perpendiculaire à la direction de propagation. Attention, dans la figure 3 où la direction de propagation de S est horizontale, on observe que la direction de polarisation de SV est également verticale. Mais dans le cas d'ondes émises en profondeur au foyer du séisme et arrivant à une station sismique, la direction de propagation est souvent plus proche de la verticale que de l'horizontale (figure 4). Et dans ce dernier cas, le plan de polarisation (vert sur la figure 4) est alors proche de l'horizontale et la direction de polarisation de SV n'est plus verticale mais proche de l'horizontale.


Décomposition de l'onde S en deux ondes : SH et SV. Les flèches rouge et verte indiquent la direction de vibration des ondes SH et SV.

Décomposer S en deux ondes SH et SV permet également de montrer que SV a une composante sur l'axe vertical Z (figure 5). Donc, au passage de l'onde S à la station d'enregistrement, des déplacements sur la composante verticale du sismomètre peuvent être enregistrés. Mais il est vrai que plus la direction de propagation de l'onde sismique est proche de la verticale (cas rencontré avec des séismes profonds ou des séismes superficiels dont l'épicentre est proche de la station d'enregistrement), plus la direction de vibration de SV est horizontale et moins sa composante sur l'axe vertical Z est visible.


Remarque. Sur certains sismogrammes, vous pouvez trouver les indications L (longitudinal) et T (transversal) à la place de N (ou NS) et E (ou EO). Cela signifie qu'un changement de repère a été effectué après l'enregistrement, une fois que la direction de propagation est connue. La direction L correspond alors à la projection de la direction de propagation de l'onde P sur le plan horizontal. La direction T correspond alors à la direction de vibration de l'onde SH. Dans ce cas là, il n'y a pas d'onde P sur l'axe T (voir par exemple les sismogrammes enregistrés à Canberra (Australie) après un séisme au Chili en juillet 1995, document GEOSCOPE sur le site de l'Institut de physique du Globe).

Lorsque les ondes SH arrivent à l'interface terre-air, elles se réfléchissent sous forme d'ondes également SH. Ces ondes SH réfléchies interfèrent avec les ondes SH incidentes , en d'autres termes les ondes SH incidentes et réfléchies se superposent, ajoutant ou retranchant leurs amplitudes suivant le lieu. Cela donne naissance à un type d'onde qui existe grâce à la présence d'une interface air-terre : les ondes de Love (ondes L) . Ces ondes L sont polarisées horizontalement (comme les ondes SH) et se propagent parallèlement à la surface de la Terre, mais le déplacement de matière qu'elles engendrent décroît globalement avec la profondeur.

Figure 6. Déplacement de la matière au passage d'une onde L

Déplacement de la matière au passage d'une onde L

Le déplacement est horizontal et perpendiculaire à la direction de vibration.


De la même manière, les interférences des ondes P et SV forment des ondes de surface appelées ondes de Rayleigh.

Liens utiles

Visualisation de sismogrammes sur le site Sismo des Écoles).

Documents pédagogiques de l'École et Observatoire des Sciences de la Terre de Strasbourg (EOST).

Tout ce que vous devez savoir sur les séismes : foire aux questions, site de la Commission Géologique du Canada.

Remerciements à Gabrielle Bonnet pour son aide pour les figures 2 et 5.