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Comment les ondes sismiques se
propagent-elles ?
Quand la Terre tremble, les vibrations se propagent dans
toutes les directions à partir du foyer du
tremblement de terre situé dans les profondeurs de la
couche terrestre. Les vibrations sont initialement de deux
types : celles qui compriment et détendent
alternativement les roches, à la manière d'un
accordéon, et celles plus destructrices qui les
cisaillent. Les premières, les plus rapides
(appelées ondes P), voyagent dans la croûte
à une vitesse de 6 km/s environ, mais peuvent
être ralenties dans les roches peu consolidées.
Les secondes (appelées ondes S) sont, à cause
des propriétés élastiques des roches,
systématiquement deux fois plus lentes mais environ
cinq fois plus fortes que les premières. Ainsi, lors
d'un séisme lointain, ayant ressenti l'onde P, on
peut anticiper l'arrivée des ondes S.
Peut-on les distinguer quand un séisme a lieu sous
nos pieds ?
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Oui : les ondes P vibrent dans leur
direction de propagation, elles soulèvent ou
affaissent le sol, tandis que les ondes S vibrent
perpendiculairement et nous secouent
horizontalement.
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Heureusement, lors de leur voyage à travers le
sous-sol, les ondes perdent de leur énergie. En
s'éloignant du foyer, elles s'amortissent et leurs
effets s'atténuent. Voilà pourquoi les
séismes superficiels, trop proches pour être
affaiblis, sont les plus destructeurs.
D'après La Recherche (n° exceptionnel
août octobre 2001 LES SEISMES)
Ondes
mécaniques :
- Les ondes sismiques appartiennent au domaine des
ondes mécaniques. Donner la définition
générale d'une onde mécanique.
- Dans le texte, on peut lire : "les premières
voyagent dans la croûte à une vitesse de 6
km/s environ". Quel terme plus approprié que
"vitesse" devrait-on utiliser ?
- Les ondes sismiques peuvent être, selon les
cas, qualifiées par les termes suivants : ondes
longitudinales ; ondes de cisaillement ; ondes
transversales ; ondes de compression.
- En utilisant deux termes de la liste ci-dessus,
caractériser une onde P. Justifier la
réponse.
- En utilisant deux termes de la liste ci-dessus,
caractériser une onde S. Justifier la
réponse.
- Associer chacun des deux schémas ci-dessous aux
ondes P ou S. Justifier la réponse.
- Les expériences ci-dessous peuvent
modéliser les ondes P ou S. Associer chaque
expérience à l'un des deux types d'onde.
- Épicentre et foyer du séisme
- Une onde sismique commence à se propagerà
partir du foyer à la date t = 0. Une station
enregistreuse est située à une distance D
de l'épicentre et à une distance d du
foyer. On note Vp la célérité de
l'onde P et Vs la célérité de l'onde
S dans la croûte. Donner l'expression de
tp et tS, dates d'arrivée
respectivement des ondes P et S à la station
enregistreuse
- On ne peut pas connaître
précisément Vp et VS. Cependant,
on sait qu'elles obéissent à la relation
:
1/VS -1/Vp = 1/8 avecVS
et VP étant exprimées en
km.s-1. Si on mesure les dates tS
et tP, établir l'expression de la
distance d en fonction de ces dates.
- Un capteur de la station mesure l'intervalle de temps
séparant l'arrivée des deux ondes à
la station : Dt. = 25 s. En
déduire la distance de la station au foyer du
séisme.
- On appelle foyer superficiel un foyer très
proche de la surface terrestre. Dans ce cas, on peut
considérer que d = D. Une des méthodes
utilisées pour localiser l'épicentre du
séisme dans ce cas est la méthode dite des
trois cercles : trois stations S1,
S2 et S3 mesurent la distance
à laquelle elles se trouvent du foyer d'un
séisme. On note des distances respectivement
d1, d2 et d3. On suppose
que le milieu est isotrope, c'est à dire que les
ondes se propagent à la même vitesse dans
toutes les directions. Expliquer le principe de la
méthode dite « des trois cercles
».
corrigé
On appelle onde mécanique le phénomène
de propagation d'une perturbation dans tout milieu
matériel sans transport de matière.
On devrait
utiliser le terme de célérité d'une
onde.
Les ondes
P (schéma 1 ) sont des ondes longitudinales : la
direction de déplacement temporaire de la
matière et la direction de propagation
de l'onde sont les mêmes. On parle aussi d'ondes de
compression : elles créent de proche en en proche des
ondes de compression-détente du milieu de
propagation.
Les ondes
S sont des ondes transversales : la direction de
déplacement temporaire de la matière et la
direction de
propagation
de l'onde sont perpendiculaires. On parle aussi
d'ondes de
cisaillement.
Si les ondes
S et P se propagent dans un milieu supposé non
dispersif, la
perturbation au point M' (station enregistreuse)
à
l'instant t'
est la même que celle qui existait au point M (foyer)
à l'instant
t= t'-
t, avec
t
=MM' /
V ,
t
étant le retard et V la
célérité
de l'onde considérée. Donc,
en prenant l'origine des temps t = 0 à l'instant
où le séisme démarre
:
tP=d/Vp ;
tS=d/VS ;
Dt =tS-
tP=d (1/VS -1/VP )=d/8
d = 8Dt = 8*25 =
200 km.
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A
partir de la position de
la station 1, on trace un cercle dont le
rayon d1
correspond à peu près à la
distance épicentrale D1. On fait
de même pour les stations 2 et 3. Les
arcs de
cercle se coupent en un seul point si le
séisme est superficiel. Le point
d'intersection donne la position de
l'épicentre.
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