DEUGDEUGA. RandrianasoloA. RandrianasoloFaculté des Sciences 2003-2004Faculté des Sciences 2003-2004 Sismologie

Sismologie

DEUG DEUG

A. Randrianasolo A. Randrianasolo

Faculté des Sciences 2003-2004

Faculté des Sciences 2003-2004

Introduction



Objectifs Objectifs

 Connaissances des principes de propagation des Connaissances des principes de propagation des ondes sismiques

ondes sismiques

 caractéristiques et effets (cult. gé.)caractéristiques et effets (cult. gé.)

 Conclusions sur la structure du GlobeConclusions sur la structure du Globe

 Études de la répartition des foyers sismiques (à Études de la répartition des foyers sismiques (à mettre en relation plus tard avec la tectonique mettre en relation plus tard avec la tectonique des plaques)

des plaques)

Les séismes



Définitions : Définitions :

 Séisme (tremblement de terre) : passage de Séisme (tremblement de terre) : passage de

vibrations causées par l’ébranlement brutal du vibrations causées par l’ébranlement brutal du sol en un point donné

sol en un point donné

 Hypocentre ou foyer : endroit précis où se Hypocentre ou foyer : endroit précis où se produit le mouvement initial

produit le mouvement initial

 Épicentre : point situé en surface au-dessus (le Épicentre : point situé en surface au-dessus (le plus près) du foyer

plus près) du foyer

Caractères



Début net Début net



Durée faible (quelques secondes à quelques Durée faible (quelques secondes à quelques minutes)

minutes)



Origines naturelles ou artificielles Origines naturelles ou artificielles



A distinguer des «bruits de fonds», A distinguer des «bruits de fonds», microséismes

microséismes

Causes des séismes naturels

 Impact Impact (météorites)(météorites)

 Éruption volcanique Éruption volcanique (différents des trémors)(différents des trémors)

 Tectonique : Tectonique : jeu de faille, mouvement de plaques...jeu de faille, mouvement de plaques...

 exemplesexemples

 modalités (rebond élastique)modalités (rebond élastique)

 Présence de forces (compression, distension, Présence de forces (compression, distension, transpression....)

transpression....)

 Accumulation d’énergieAccumulation d’énergie

 Mouvement brutal avec libération d’énergieMouvement brutal avec libération d’énergie

Impact météoritique (-65Ma)



Cratère d’impact Cratère d’impact

CHICXULUB dans CHICXULUB dans

le Yucatan le Yucatan (Mexique).

(Mexique).



Cratère invisible de Cratère invisible de l’extérieur, révélé l’extérieur, révélé

par la méthode par la méthode

gravimétrique

gravimétrique

Séisme sur faille normale

 Le mouvement d ’une Le mouvement d ’une faille normale

faille normale

engendre un séisme engendre un séisme

 Ondes POndes P

 Ondes SOndes S

 Ondes de surfaces (L)Ondes de surfaces (L)

Les ondes sismiques



Ondes de volume Ondes de volume

 Onde longitudinale (Ondes P)Onde longitudinale (Ondes P)

 propagation dans milieux solides et liquidespropagation dans milieux solides et liquides

 Onde transversale (Ondes S)Onde transversale (Ondes S)

 propagation en milieu solidepropagation en milieu solide



Ondes de surface Ondes de surface

 Onde de RayleighOnde de Rayleigh

 Onde de LoveOnde de Love

Représentation de la propagation de l ’onde P (longitudinale)

 Les ondes P se Les ondes P se

déplacent de gauche à déplacent de gauche à droite sur cette figure droite sur cette figure

Propagation des ondes S

 De gauche à droiteDe gauche à droite

Propagation des ondes de surface

Ondes P et S



Vp = [(K + 4/3 Vp = [(K + 4/3   )/ )/   ] ]

 K = module de compression (résistance à la K = module de compression (résistance à la compression)

compression)

  = Module de cisaillement (résistance au = Module de cisaillement (résistance au cisaillement)

cisaillement)

  = densité= densité



Vs = ( Vs = (   / /  

Vitesse des rais sismiques



Loi de Snell-Descartes : Loi de Snell-Descartes : Sin i/Vp = sin r/V’p

Sin i/Vp = sin r/V’p

Où Où i = angle d’incidence i = angle d’incidence

Vp = vitesse de l’onde P dans le milieu 1 Vp = vitesse de l’onde P dans le milieu 1

R = angle de réfraction R = angle de réfraction

V’p = vitesse de l’onde P dans le milieu 2

V’p = vitesse de l’onde P dans le milieu 2

Enregistrement



Sismographe : Sismographe :

 Principes Principes (capteur + transducteur + ampli. + (capteur + transducteur + ampli. + enregistreur + horloge)

enregistreur + horloge)

 DescriptionDescription

 Sismographe verticalSismographe vertical

 Sismographe horizontal (au moins 2 par station) Sismographe horizontal (au moins 2 par station) Sismogramme

Sismogramme



(Mécanisme au foyer) (Mécanisme au foyer)

Sismographe vertical à droite et

horizontal à gauche

Sismogramme

 Le sismographe distant enregistre les ondes P, S et de Le sismographe distant enregistre les ondes P, S et de surface. La coupe montre les trajectoires des ondes.

surface. La coupe montre les trajectoires des ondes.

Séisme (illustration)

 Décrochement etDécrochement et

 Propagation des ondesPropagation des ondes

 Enregistrement sur un Enregistrement sur un sismographe

sismographe

Observations et évaluation



Mouvements du sol Mouvements du sol

 Action simultanée et/ou successive des Action simultanée et/ou successive des différentes ondes

différentes ondes

 Influence de la nature et de la structure du Influence de la nature et de la structure du terrain.

terrain.

 Roches massives : transmission immédiate des Roches massives : transmission immédiate des vibrations

vibrations

 Roches meubles : emmagasinement de l’énergie Roches meubles : emmagasinement de l’énergie avant libération, dégâts plus importants

avant libération, dégâts plus importants

 Exemples : Caire, Mexico etc.Exemples : Caire, Mexico etc.

Accélération au sol

La Faille de San Andreas

 Une rue de San Une rue de San Francisco en 1974 Francisco en 1974

 (regarder le trottoir à (regarder le trottoir à gauche)

gauche)

1979 1990

Évaluation



Intensité relative Intensité relative

 Échelle M.S.K. et MercalliÉchelle M.S.K. et Mercalli

 Utilisable en région habitéeUtilisable en région habitée

 Corrélation sensation + dégâts / intensité Corrélation sensation + dégâts / intensité



Magnitude Magnitude

 Échelle de RichterÉchelle de Richter

 Mesure de l’énergie libéréeMesure de l’énergie libérée

 M = log(A/T) + F(M = log(A/T) + F())

Magnitude



M = log (A/T) + F ( M = log (A/T) + F (   ) )

 A = amplitude maximale en A = amplitude maximale en 

 T = période des ondes de volume en sT = période des ondes de volume en s

 distance épicentrale en degrédistance épicentrale en degré

 F = terme empirique compensant F = terme empirique compensant l’amortissement du signal

l’amortissement du signal

A = amplitude maximum

 La valeur de l ’amplitude maximum est utilisée La valeur de l ’amplitude maximum est utilisée pour la détermination de la magnitude

pour la détermination de la magnitude

Relation magnitude - énergie

 aM = log E/EaM = log E/E₀₀ où a = 1,5 ; E

où a = 1,5 ; E₀₀ = 2,5.10 = 2,5.10¹¹¹¹ erg erg

 logE(erg) = 11,4 + 1,5 M logE(erg) = 11,4 + 1,5 M ou logE(joules) = 4,8+1,5M ou logE(joules) = 4,8+1,5M

Formule d’après Gutenberg et Richter Formule d’après Gutenberg et Richter

Exemples



Chili 1960 (M = 8,9 i-e E = 5.10 Chili 1960 (M = 8,9 i-e E = 5.10

erg) erg)



Bombe atomique (Hiroshima 1944) , Bombe atomique (Hiroshima 1944) , E = 10

E = 10

erg erg



Guadeloupe : annuellement environ 2-4 Guadeloupe : annuellement environ 2-4 séismes de magnitude 4.

séismes de magnitude 4.



Remarque : le nombre de victimes dépend Remarque : le nombre de victimes dépend svt de circonstances fortuites et n’est pas svt de circonstances fortuites et n’est pas

pris en compte dans l’échelle M.S.K.

pris en compte dans l’échelle M.S.K.

Comparaisons avec TNT



Magnitude Magnitude Energie TNT (approx.) Energie TNT (approx.)



4,0 4,0 6 tonnes 6 tonnes



5,0 5,0 199t 199t



6.0 6.0 6.270t 6.270t



7.0 7.0 199.000t 199.000t



8.0 8.0 6.270.000t 6.270.000t



9.0 9.0 99.000.000t 99.000.000t

Sismicité de la Guadeloupe (carte 1994)

 Séisme du /09/01Séisme du /09/01

 Magnitude = 5,1Magnitude = 5,1

 Épicentre : 30km au Épicentre : 30km au nord de la Gde Vigie nord de la Gde Vigie

 Profondeur : 20kmProfondeur : 20km

Détermination du foyer



Carte isoséiste Carte isoséiste

 utilisation de résultats d’enquête (M.S.K.)utilisation de résultats d’enquête (M.S.K.)

 écartement des isoséistes f(profondeur du foyer)écartement des isoséistes f(profondeur du foyer)



Calcul à partir de 3 stations sismo. Calcul à partir de 3 stations sismo.

 intersection = épicentreintersection = épicentre

 hypocentre : (triangle d’incertitude plus vaste = hypocentre : (triangle d’incertitude plus vaste = hypocentre profond) ; utilisation également des hypocentre profond) ; utilisation également des ondes P et pP

ondes P et pP

Exemple

 Les ondes sismiques sont enregistrées par les Les ondes sismiques sont enregistrées par les stations A, B et C à des « heures différentes » stations A, B et C à des « heures différentes »

Evaluation de la distance « foyer - stations sismographiques »

 Cette figure montre les intervalles de temps entre l ’arrivée des ondes Cette figure montre les intervalles de temps entre l ’arrivée des ondes P et S dans les 3 stations A, B et C de l ’image précédente

P et S dans les 3 stations A, B et C de l ’image précédente

Méthode des S-P



Connaissant l’arrivée respective des ondes Connaissant l’arrivée respective des ondes P et S dont on connaît par ailleurs les

P et S dont on connaît par ailleurs les

vitesses de déplacement, il est possible de vitesses de déplacement, il est possible de déterminer l’heure de départ et la distance déterminer l’heure de départ et la distance

parcourue

parcourue

Calcul de la distance épicentrale



Temps d ’arrivée de P Temps d ’arrivée de P

 tp = ttp = t₀₀ + d/Vp + d/Vp



Temps d ’arrivée de S Temps d ’arrivée de S

 ts = tts = t₀₀ + d/Vs + d/Vs



ts-tp = (d/Vs - d/Vp) = d.(1/Vs-1/Vp) ts-tp = (d/Vs - d/Vp) = d.(1/Vs-1/Vp)



(voir abaque) sinon dans la croûte, (voir abaque) sinon dans la croûte,

 1/Vs-1/Vp = 1/81/Vs-1/Vp = 1/8

Localisation de l ’épicentre à partir des

données recueillies sur les 3 stations A, B et C

 Les cercles Les cercles

représentent le lieu représentent le lieu géométrique de géométrique de l ’épicentre pour l ’épicentre pour chaque station.

chaque station.

Sachant qu ’il Sachant qu ’il s ’agit d ’un seul s ’agit d ’un seul séisme, l ’épicentre séisme, l ’épicentre se trouve donc à se trouve donc à l ’intersection des l ’intersection des trois cercles.

trois cercles.

Méthode des S-P



Connaissant l’arrivée respective des ondes Connaissant l’arrivée respective des ondes P et S dont on connaît par ailleurs les

P et S dont on connaît par ailleurs les

vitesses de déplacement, il est possible de vitesses de déplacement, il est possible de déterminer l’heure de départ et la distance déterminer l’heure de départ et la distance

parcourue

parcourue

Autres effets



Seiches : Seiches :

 Exemple : Lisbonne 1755 (Bateaux à Rotterdam)Exemple : Lisbonne 1755 (Bateaux à Rotterdam)



Tsunami : Tsunami :

 Exemple 1 : Lisbonne 1755 ( mer : + 15m à Tanger, + Exemple 1 : Lisbonne 1755 ( mer : + 15m à Tanger, + 2,5 km à l’intérieur des terres ; et + 3m en Guadeloupe 2,5 km à l’intérieur des terres ; et + 3m en Guadeloupe et Martinique)

et Martinique)

 Ex.2 Chili 1960 (houle +30m, v = 700km.hEx.2 Chili 1960 (houle +30m, v = 700km.h^-1-1, ,

destruction de Hilo (Hawaii à 11.000km), et 5000 destruction de Hilo (Hawaii à 11.000km), et 5000 maisons détruites au Japon (17.000km)

maisons détruites au Japon (17.000km)

 Ex.3 Papouasie Nouvelle Guinée (18.07.98) séisme Ex.3 Papouasie Nouvelle Guinée (18.07.98) séisme M=7,2 ; Houle = 10m, plusieurs villages détruits M=7,2 ; Houle = 10m, plusieurs villages détruits (Aitape), >3000 victimes

(Aitape), >3000 victimes

Tsunami

 Arrivée des vagues précédée par un retrait important Arrivée des vagues précédée par un retrait important de la ligne de rivage

de la ligne de rivage

Autres effets



Enregistrement géologique : sédiments Enregistrement géologique : sédiments particuliers apparentés aux tempestites particuliers apparentés aux tempestites



Erosion, discordance, granoclassement, Erosion, discordance, granoclassement, figures d’échappement…

figures d’échappement…



Ex.: limite K/T Ex.: limite K/T

Nappes phréatiques

 Variation du niveau de Variation du niveau de la nappe phréatique

la nappe phréatique (Californie)

(Californie)

Transmission des ondes à travers le Globe



Propagation des ondes Propagation des ondes

 vitesse : fonction de la nature et de la densité du vitesse : fonction de la nature et de la densité du milieu traversé

milieu traversé

 rappel : P traverse liquide et solide ; S ne passe rappel : P traverse liquide et solide ; S ne passe qu’à travers un solide.

qu’à travers un solide.



Les discontinuités internes du Globe Les discontinuités internes du Globe

 sismique réflexionsismique réflexion

 sismique réfractionsismique réfraction

Les discontinuités et «frontières»



obs.1 : existence d’une zone d’ombre de P obs.1 : existence d’une zone d’ombre de P entre 105° et 142° p.rap. au foyer sismique entre 105° et 142° p.rap. au foyer sismique

 Déduction et calcul : Déduction et calcul :

 présence d’une discontinuitéprésence d’une discontinuité

 VV1₁ > V > V2₂

 frontière à -2894km + ou - 2kmfrontière à -2894km + ou - 2km

 Nom : Discontinuité de GütembergNom : Discontinuité de Gütemberg

 séparation Manteau - Noyau externeséparation Manteau - Noyau externe

Existence de zones d ’ombre

pour les ondes P et les ondes S

Discontinuité de Gütemberg



Observation 2 Observation 2

 L’onde S ne traverse pas cette frontièreL’onde S ne traverse pas cette frontière

 L’onde P est fortement ralentieL’onde P est fortement ralentie



Conclusion : Conclusion :

 Le manteau est solideLe manteau est solide

 Le noyau externe est liquideLe noyau externe est liquide

La Graine



obs.3 : Nette accélération de l’onde P obs.3 : Nette accélération de l’onde P

 localisation : à - 5121km + ou - 2kmlocalisation : à - 5121km + ou - 2km



Conclusion : Graine solide Conclusion : Graine solide

Frontières (suite)



obs.4 : obs.4 :

 Réfraction des ondes P et S de grande Réfraction des ondes P et S de grande

amplitude alors que les réflexions étaient bcp amplitude alors que les réflexions étaient bcp plus faibles

plus faibles

 déduction : déduction : présence d’une discontinuité avec Vprésence d’une discontinuité avec V₁₁ < V < V₂₂ à - 50km

à - 50km

 Frontière Croûte Frontière Croûte (ou Écorce)(ou Écorce) - Manteau - Manteau (+dense)(+dense)

 Nom : Moho ; profondeur variable (-9 à -70km)Nom : Moho ; profondeur variable (-9 à -70km)

Transition (1)



obs.5 : Diminution de la vitesse de obs.5 : Diminution de la vitesse de

propagation de P et de S vers - 150km propagation de P et de S vers - 150km

 VV_PP décroît de 8,1-8,3 km/s à 7,7-7,8km/s décroît de 8,1-8,3 km/s à 7,7-7,8km/s

 VV_SS décroît de 4,8 à 4,2 km/s décroît de 4,8 à 4,2 km/s



Déduction : Déduction :

 passage à z. de densité moindre passage à z. de densité moindre (ou de fusion (ou de fusion partielle)

partielle)

 Limite lithosphère - asthénosphèreLimite lithosphère - asthénosphère

Transition (2)



obs. 6 : Existent 3 accélérations de P et S obs. 6 : Existent 3 accélérations de P et S entre L.V.Z. et disc. de Gütemberg.

entre L.V.Z. et disc. de Gütemberg.

 7,8 à 8,5km/s (fin de la L.V.Z.) onde P7,8 à 8,5km/s (fin de la L.V.Z.) onde P

 9 à 10,2km/s9 à 10,2km/s

 11 à 13,6km/s11 à 13,6km/s



Déduction : existent des changements de Déduction : existent des changements de phase minéralogique

phase minéralogique

 (spinelle - Grenat : SiO(spinelle - Grenat : SiO₆₆) vers - 400km) vers - 400km

 (type perovskite : CaTiO(type perovskite : CaTiO₃₃) à - 700km) à - 700km

 Nom : Mésosphère (-700km - 2894m)Nom : Mésosphère (-700km - 2894m)

Variations de vitesses des ondes P et S en fonction de la profondeur



Schéma synthétique

Transition (3)



obs.7 : Réflexion et diffraction obs.7 : Réflexion et diffraction

 (obs... sur réseaux denses de sismo. en Norvège)(obs... sur réseaux denses de sismo. en Norvège)

 localisation : transition entre manteau inférieur localisation : transition entre manteau inférieur et noyau externe

et noyau externe

 nature : n’est pas entièrement solidenature : n’est pas entièrement solide

 zone réactionnelle entre les 2 entités en prés.zone réactionnelle entre les 2 entités en prés.

 nom : zone D’’nom : zone D’’

La couche D ’ ’

 Mise en évidence de la Mise en évidence de la couche D seconde par couche D seconde par

un réseau dense de un réseau dense de

sismographes.

sismographes.

 Les ondes sismiques Les ondes sismiques régulières sont

régulières sont déformées par déformées par

diffraction par la diffraction par la

couche D » couche D »

Transition (4)



obs.8 : Existe au sein de l’écorce (ex.: fossé obs.8 : Existe au sein de l’écorce (ex.: fossé rhénan) une zone de ralentissement de V

rhénan) une zone de ralentissement de V

: : 6,0km/s à 5,5 puis 6,8km/s

6,0km/s à 5,5 puis 6,8km/s



déduction : séparation croûte sup./croûte déduction : séparation croûte sup./croûte inf. inf.



Remarque : n’est pas présente partout. Remarque : n’est pas présente partout.

Structure interne du Globe (Conclusions)

Abréviations utilisées dans les 2 tableaux Abréviations utilisées dans les 2 tableaux

suivants : suivants :

C = Croûte ou Écorce C = Croûte ou Écorce

M = Manteau M = Manteau

E = Noyau externe E = Noyau externe

G = Graine ou noyau interne

G = Graine ou noyau interne

Variations de vitesse des ondes P

Vpu Continent Vpu océan

C1 1,7 – 3 sédim 2<Vpu<5 sédiments

C2 4,2 – 5,8 0 granite 4,7 – 5,1 0 Basalte (pillow- lava)

C3 6,5 –7,10 granulite 6,8 – 6,9 0 Gabbro, Péridotite litée

M1 8 – 8,3 0 8,1 0 Péridotite

M2 7,8 1 7,8 1 L.V.Z.

M3

D’’

8,5 0

9 – 10,2 0 0 11 – 13,6

Olivine Spinelle

Perovskite Zone réactionnelle

Variations de vitesse des ondes P

Vpu Discontinuités

M3 11-13,6 0

D’’ 13,2 1 Zone réactionnelle A surface perturbée

GUTEMBERG – 2894km

E 8,1 – 9,5 0 Liquide

LEHMAN – 5121km

G 11,2 0 Solide

Autres applications



Sismique réflexion Sismique réflexion

 ondes réfléchiesondes réfléchies

 détails structures superficiellesdétails structures superficielles



Sismique réfraction Sismique réfraction

 « angles limites »« angles limites »

 « ondes coniques »« ondes coniques »

Méthode de prospection

« Géophysique marine »

Tomographie sismique

 En haut : localisation En haut : localisation de la coupe

de la coupe

 En bas : tomographie En bas : tomographie sismique.

sismique.

 Rouge = chaudRouge = chaud

 Bleu = froidBleu = froid

 Conclusion : existence Conclusion : existence d ’hétérogénéité au

d ’hétérogénéité au sein du manteau

sein du manteau

Tomographie sismique

 Sud Est AsiatiqueSud Est Asiatique

 1°) 56km1°) 56km

 2°) 146km2°) 146km

 3°) 260km3°) 260km

 4°) 390km4°) 390km

Localisation des zones sismiques



Analyse des cartes sismiques Analyse des cartes sismiques

 Répartition dans l’espaceRépartition dans l’espace

 Dorsales (proche des dorsales)Dorsales (proche des dorsales)

 Rifts continentauxRifts continentaux

 Chaînes de montagnes jeunesChaînes de montagnes jeunes

 Arcs insulairesArcs insulaires

 Points isolés en relation avec des volcansPoints isolés en relation avec des volcans

 Répartition en profondeurRépartition en profondeur

Carte sismique du monde

Carte schématique

Petites Antilles

 Isc-seis4.4Isc-seis4.4

Localisation des hypocentres

 En profondeur :En profondeur :

 Séismes «superficiels» (0 - 200km)Séismes «superficiels» (0 - 200km)

 Proches des dorsales, des rifts, chaînes de montagnes Proches des dorsales, des rifts, chaînes de montagnes jeunes, cordillères, arcs volcaniques, autres régions jeunes, cordillères, arcs volcaniques, autres régions

volcaniques.

volcaniques.

 Séismes profonds (200 - 700km)Séismes profonds (200 - 700km)

 Relation avec les fosses océaniques : Surface de Wadati-Relation avec les fosses océaniques : Surface de Wadati- Bénioff : de 0 -700km.

Bénioff : de 0 -700km.

 Absent aux dorsales, rifts et failles en décrochement type Absent aux dorsales, rifts et failles en décrochement type San Andreas (=faille transformante)

San Andreas (=faille transformante)

Carte sismique du Japon



Localisation des séismes de 1960 à 2002

 Largeur des Largeur des coupes de part coupes de part

et d ’autre du et d ’autre du profil = 50km profil = 50km