Ondes sismiques

Les ondes sismiques sont des vibrations qui se propagent dans toutes les directions en transportant de l'énergie depuis une source où se produit un ébranlement. Les ondes sismiques se propagent avec des vitesse de l'ordre du kilomètre par seconde  avec une vitesse qui varie selon la nature des roches rencontrées lors de la propagation. C'est précisément cette dépendance de la vitesse en fonction de la nature du matériau traversé qui permet de se faire une idée de la composition chimique du globe terrestre depuis la croûte de surface jusqu'au noyau central. Il faut aussi bien évidemment tenir compte des variations de température et de pression en fonction de la profondeur. Ainsi, une augmentation de température tend à diminuer la vitesse des ondes sismiques, tandis qu'une augmentation de pression tend au contraire à accroître cette vitesse. La pression augmente avec la profondeur en raison de la masse des roches qui s'accumulent au fur et à mesure que l'on s'enfonce dans l'écorce terrestre. En général, l'effet de pression est dominant et dans les régions de composition uniforme, la vitesse augmente généralement avec la profondeur, en dépit du fait que l'augmentation de température entraîne un ralentissement des ondes. 

Les ondes de compression, dites ondes P (pour primaires) sont les premières à être détectées lors d’une séisme car ce sont elles qui voyagent le plus vite avec des vitesses comprises entre 1 et 14 km·s^-1. Les vitesses les plus faibles correspondent à des ondes voyageant dans l’eau, tandis que les plus rapides correspondent à des ondes se propageant à la base du manteau terrestre. Comme l’indique la figure ci-dessous, la vitesses des ondes P dépend du module d’élasticité isostatique K, inverse du coefficient de compressibilité isotherme χ_T, du module de cisaillement G et de la densité ρ des roches rencontrées. 

Les vibrations causées par les ondes P correspondent à des changements de volume avec un alternance de compression et d’expansion dans la direction de propagation de l’onde. Les ondes P peuvent se propager aussi bien à travers les solides, les liquides que les gaz.

Les ondes de cisaillement, dites ondes S (pour secondaires) se propagent pour leur part moins vite que les ondes P et ne provoquent pas de changement de volume de la matière à travers laquelle elles se propagent. Il s’agit d’ondes transverses qui font vibrer le sol dans une direction perpendiculaire à la direction de propagation. La vitesse de l’onde S ne dépend que du module de cisaillement G et de la densité ρ, et même si elles sont plus lentes que les ondes P, elles se propagent quand même avec des vitesses comprises entre 1 et 8 km·s^-1. La vitesse la plus basse est observée pour une propagation dans des sédiments non consolidés tandis que les valeurs les plus élevées correspondent à des ondes se propageant à la base du manteau terrestre. Une caractéristique importante des ondes S est leur incapacité à se propager dans les milieux fluides comme les liquides ou les gaz.  De manière générale, les séismes génèrent plus d’ondes de cisaillement que d’ondes de compression et par conséquent les plus grands dégâts sont causés par les ondes S. 

Les ondes de Love sont des ondes transverses dispersives qui font vibrer le sol dans une direction horizontale perpendiculaire à la direction de propagation. Elles se forment suite à l’interaction entre les ondes S et la surface terrestre et se propagent avec des vitesses comprises entre 2 et 6 km·s^-1. Les ondes de Love sont donc des ondes de surface dont l’amplitude diminue avec la profondeur du sol.

Enfin, les ondes de Rayleigh sont les ondes sismiques les plus lentes mais aussi les plus complexes. Comme les ondes de Love, ce sont des ondes dispersives dont la vitesse de propagation dépend de la fréquence de vibration et qui se forment suite à des interactions avec des structures géologiques proches de la surface terrestre. Les vitesses typiques des ondes de Rayleigh sont comprises entre 1 et 5 km·s^-1.