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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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