Les ondes sismiques sont le principal outil d'exploration de l'intérieur de la Terre, du séisme naturel à la prospection pétrolière. Ce chapitre part du comportement élastique des roches, définit les deux grandes familles d'ondes sismiques, puis aborde leur propagation et leurs applications. C'est un chapitre dense, très présent dans les examens du module.
1. Contraintes, déformations et loi de Hooke
Lorsqu'une force est appliquée à un solide, elle induit en son sein une contrainte (force rapportée à une surface) et une déformation (variation relative de dimension). Pour un solide élastique, tant que la déformation reste faible, la loi de Hooke énonce une proportionnalité directe entre contrainte et déformation : le solide reprend sa forme initiale une fois la contrainte supprimée. Au-delà d'un certain seuil, appelé limite d'élasticité, le comportement devient plastique, puis conduit à la rupture — c'est le mécanisme même du séisme, produit par la rupture brutale des roches le long d'une faille lorsque la contrainte accumulée dépasse la résistance de la roche.
2. Les modules élastiques
Le comportement élastique d'une roche se caractérise par plusieurs modules élastiques. Le module d'Young E relie une contrainte de traction ou de compression à l'allongement relatif qu'elle produit ; le module de cisaillement (ou de rigidité) μ relie une contrainte de cisaillement à la déformation angulaire correspondante ; le module d'incompressibilité K relie une variation de pression à la variation relative de volume qu'elle induit. Ces modules, propres à chaque roche selon sa nature, sa porosité et son degré de fracturation, gouvernent directement la vitesse à laquelle les ondes sismiques s'y propagent.
3. Les ondes de volume : P et S
Les ondes de volume se propagent à l'intérieur du globe. Les ondes P (ondes premières, ou de compression) font vibrer la matière parallèlement à leur direction de propagation, par compressions et dilatations successives ; elles se propagent dans les solides comme dans les fluides et sont les plus rapides, donc les premières enregistrées à une station sismique. Les ondes S (ondes secondes, ou de cisaillement) font vibrer la matière perpendiculairement à leur direction de propagation ; leur vitesse dépend du module de cisaillement, qui est nul dans un fluide — les ondes S ne se propagent donc pas dans les liquides, propriété qui a permis de démontrer l'état liquide du noyau externe de la Terre.
4. Les ondes de surface : Love et Rayleigh
Les ondes de surface, guidées le long de l'interface entre le sol et l'atmosphère, naissent de l'interaction des ondes de volume avec la surface libre et se propagent plus lentement que les ondes P et S, mais avec une amplitude souvent bien plus grande — elles sont responsables de l'essentiel des dégâts lors d'un séisme. Les ondes de Love font vibrer le sol horizontalement, perpendiculairement à la direction de propagation ; les ondes de Rayleigh combinent un mouvement vertical et horizontal qui décrit une ellipse, à la manière d'une vague à la surface de l'eau.
5. Propagation, réflexion et réfraction sismiques
La vitesse des ondes sismiques croît avec la rigidité et la densité du milieu traversé ; elle change donc à chaque interface entre deux couches de propriétés différentes. Comme en optique, une onde sismique incidente sur une telle interface donne naissance à une onde réfléchie, qui repart dans le milieu incident, et une onde réfractée, transmise dans le second milieu selon une loi analogue à la loi de Snell-Descartes. Ces principes de sismique réflexion et de sismique réfraction permettent de reconstituer, à partir de temps d'arrivée mesurés en surface, la profondeur et la géométrie des interfaces géologiques du sous-sol.
6. Applications à la structure interne du globe et à la prospection
L'analyse des trajets et des temps d'arrivée des ondes P et S enregistrées lors des grands séismes a permis de reconstituer la structure interne de la Terre en couches concentriques — croûte, manteau, noyau externe et noyau interne —, chacune identifiée par un changement brutal de vitesse sismique à son interface (discontinuité de Mohorovičić entre croûte et manteau, discontinuité de Gutenberg entre manteau et noyau). À plus petite échelle, la sismique réflexion est la méthode de référence de la prospection pétrolière, tandis que la sismique réfraction, plus légère à mettre en œuvre, sert à la reconnaissance géotechnique des premiers mètres à dizaines de mètres du sous-sol.
Loi de proportionnalité entre contrainte et déformation dans le domaine élastique d'un matériau : au-delà de la limite d'élasticité, la déformation devient permanente ou conduit à la rupture.
Onde sismique de volume à vibration perpendiculaire à la direction de propagation (cisaillement) ; plus lente que l'onde P et incapable de traverser un milieu liquide.
| Onde | Type | Mouvement de la matière | Traverse les liquides |
|---|---|---|---|
| P | Volume | Parallèle à la propagation (compression) | Oui |
| S | Volume | Perpendiculaire à la propagation (cisaillement) | Non |
| Love | Surface | Horizontal, perpendiculaire à la propagation | — |
| Rayleigh | Surface | Elliptique (vertical + horizontal) | — |
Les quatre types d'ondes sismiques
- La loi de Hooke relie contrainte et déformation dans le domaine élastique ; au-delà, rupture ou déformation permanente (mécanisme du séisme).
- Modules élastiques : Young (traction), cisaillement (rigidité), incompressibilité (volume) — ils fixent la vitesse des ondes.
- Onde P (compression, rapide, traverse les liquides) vs onde S (cisaillement, plus lente, ne traverse pas les liquides).
- Ondes de surface (Love, Rayleigh) : plus lentes que P et S mais souvent plus destructrices.
- L'absence d'ondes S dans le noyau externe démontre son état liquide ; sismique réflexion et réfraction cartographient le sous-sol.
Question quasi systématique : différencier ondes P et ondes S (mouvement, vitesse relative, propagation dans les liquides) et justifier l'état liquide du noyau externe par l'absence d'ondes S transmises. Sache aussi distinguer sismique réflexion et sismique réfraction dans leur principe et leur usage. Piège classique : inverser la vitesse relative des ondes P et S, ou attribuer un mouvement transversal à l'onde P.