Chapitre 6 — La sismologie et la structure interne du globe · Topic 1 : Séismes et structure interne du globe · Leçon 1.1
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- expliquer l’origine d’un séisme à partir de la rupture de roches sous contrainte ;
- distinguer foyer (hypocentre) et épicentre ;
- décrire les principaux types de failles (normale, inverse, décrochante) ;
- distinguer les ondes P (primaires, compression) et les ondes S (secondaires, cisaillement) par leurs propriétés ;
- lire un sismogramme simple ;
- construire un argument scientifique à partir d’un sismogramme.
🧭 Plan de la leçon
- Origine d’un séisme : rupture de roches sous contrainte
- Foyer et épicentre
- Les failles : types et mouvements
- Les ondes sismiques P et S
- Argument scientifique : interpréter un sismogramme
1. Origine d’un séisme : rupture de roches sous contrainte
Un séisme (ou tremblement de terre) résulte de la libération brutale d’énergie lors de la rupture de roches soumises à des contraintes. Dans la lithosphère, les plaques tectoniques exercent des forces sur les roches qui les constituent. Ces roches accumulent de l’énergie élastique, comme un ressort que l’on tend. Lorsque les contraintes dépassent la limite de rupture de la roche, celle-ci se rompt brusquement — c’est le séisme.
Les roches de la lithosphère sont soumises à trois types de contraintes :
- Contraintes en compression : les roches sont comprimées (zones de convergence de plaques).
- Contraintes en extension : les roches sont étirées (zones de divergence, dorsales).
- Contraintes en cisaillement : les roches glissent horizontalement les unes par rapport aux autres (failles transformantes).
Quand la contrainte dépasse la résistance de la roche → rupture → libération d’énergie sous forme d’ondes sismiques qui se propagent dans toutes les directions.
2. Foyer et épicentre
| Terme | Définition | Localisation |
|---|---|---|
| Foyer (ou hypocentre) | Point en profondeur où se produit la rupture et d’où partent les ondes sismiques | En profondeur dans la lithosphère (quelques km à plusieurs centaines de km) |
| Épicentre | Point à la surface de la Terre situé à la verticale du foyer | En surface — c’est là que les dégâts sont généralement les plus importants |
La profondeur du foyer influe sur les dommages : un séisme superficiel (foyer à moins de 70 km) est souvent plus destructeur qu’un séisme profond, même de même magnitude, car l’énergie met moins de temps à atteindre la surface.
3. Les failles : types et mouvements
Lors d’une rupture, les roches se déplacent le long d’un plan de faille. On distingue trois types principaux :
| Type de faille | Mouvement | Contexte géodynamique |
|---|---|---|
| Faille normale | Le compartiment supérieur glisse vers le bas (extension) | Zones de divergence, dorsales, rifts |
| Faille inverse | Le compartiment supérieur chevauche le compartiment inférieur (compression) | Zones de convergence, subduction, chaînes de montagnes |
| Faille décrochante (ou transformante) | Les deux compartiments glissent horizontalement en sens opposés | Failles transformantes (ex. : San Andreas) |
L’analyse précise des mécanismes au foyer (solutions focales, diagrammes en « beach ball » représentant la géométrie de la faille à partir des premières arrivées des ondes) n’est pas au programme de Première. Il suffit de connaître les trois types de failles et leurs contextes géodynamiques.
4. Les ondes sismiques P et S
Lors d’un séisme, deux types d’ondes principales se propagent dans les roches :
Ondes P (Primaires ou de compression) :
- Mouvement des particules dans le même sens que la propagation (compression-dilatation).
- Vitesse : ~6-8 km/s dans la croûte ; ~8 km/s dans le manteau supérieur.
- Se propagent dans les solides et les liquides.
- Arrivent en premier sur le sismogramme → d’où leur nom « primaires ».
Ondes S (Secondaires ou de cisaillement) :
- Mouvement des particules perpendiculaire à la propagation (cisaillement).
- Vitesse : ~3,5-4,5 km/s dans la croûte — environ 60 % de la vitesse des ondes P.
- Se propagent uniquement dans les solides (les liquides ne peuvent pas être cisaillés).
- Arrivent en second sur le sismogramme → d’où leur nom « secondaires ».
Sur un sismogramme, on repère deux arrivées distinctes : la première arrivée des ondes P, puis, après un délai, l’arrivée des ondes S. L’écart de temps entre les deux (noté Δt = tS − tP) est utilisé pour estimer la distance à l’épicentre.
5. Argument scientifique : interpréter un sismogramme
Question : Un sismogramme enregistré à une station sismologique montre deux séries d’ondes distinctes. La première arrive à t = 2 min 10 s, la seconde à t = 3 min 40 s. La station est-elle plus proche ou plus éloignée que 500 km de l’épicentre ?
Données : L’écart de temps entre l’arrivée des ondes P et des ondes S est Δt = 3 min 40 s − 2 min 10 s = 1 min 30 s = 90 s. Les ondes P ont une vitesse d’environ 6 km/s dans la croûte et les ondes S environ 3,5 km/s. En utilisant le hodochrone (courbe des temps de trajet en fonction de la distance), un Δt de 90 s correspond à une distance d’environ 600-700 km. Pour 500 km, le Δt serait d’environ 70-75 s.
Conclusion : Avec un Δt de 90 s, la station est plus éloignée que 500 km de l’épicentre — environ 600-700 km. Plus la station est éloignée, plus l’écart de temps entre l’arrivée des ondes P et des ondes S est grand, car les ondes P « gagnent de l’avance » proportionnellement à la distance parcourue.
« Le sismogramme montre l’arrivée des ondes P puis des ondes S (plus lentes). L’écart Δt = 90 s est supérieur à celui attendu pour 500 km (~70 s). La station est donc à plus de 500 km de l’épicentre. Plus la distance est grande, plus l’écart P–S augmente. »
🧠 À retenir absolument
- Séisme = libération brutale d’énergie lors de la rupture de roches sous contrainte.
- Foyer = point de rupture en profondeur ; épicentre = point en surface à la verticale du foyer.
- Ondes P (compression, rapides, traversent solides + liquides) · Ondes S (cisaillement, lentes, traversent solides seulement).
- Sur un sismogramme : P arrive avant S. L’écart Δt = d(épicentre).
❓ Questions fréquentes
Quelle est la différence entre magnitude et intensité d’un séisme ?
La magnitude (échelle de Richter ou moment sismique Mw) mesure l’énergie totale libérée au foyer — c’est une caractéristique intrinsèque du séisme, indépendante de l’observateur. L’intensité (échelle EMS ou Mercalli) mesure les effets ressentis ou observés en un lieu donné — elle dépend de la distance à l’épicentre, de la nature du sol et des constructions. Un séisme a une seule magnitude mais des intensités variables selon les endroits.
Pourquoi les ondes S ne traversent-elles pas les liquides ?
Les ondes S sont des ondes de cisaillement : elles font osciller les particules perpendiculairement à leur direction de propagation. Or, un liquide ne peut pas résister au cisaillement — par définition, un fluide coule plutôt que de se déformer élastiquement. Donc, quand une onde S rencontre un milieu liquide (comme le noyau externe de la Terre), elle est totalement bloquée et ne peut pas continuer. C’est cette propriété qui a permis de découvrir que le noyau externe de la Terre est liquide !
Comment localise-t-on précisément l’épicentre d’un séisme ?
Avec une seule station sismologique, on calcule la distance à l’épicentre (cercle de rayon d). Avec trois stations au minimum, on croise les trois cercles — leur point d’intersection donne la position de l’épicentre (méthode de triangulation). En pratique, les réseaux sismologiques mondiaux comme l’USGS utilisent des dizaines de stations pour une localisation très précise (à quelques kilomètres).
Qu’est-ce qu’un « essaim sismique » ?
Un essaim sismique est une série de nombreux séismes de magnitude comparable, sans choc principal clairement dominant, sur une courte période et dans une zone géographique restreinte. On les distingue des répliques, qui suivent un séisme principal bien identifié. Les essaims sismiques sont souvent associés à des mouvements de fluides dans les failles (eau, magma) ou à des zones de décompression comme les dorsales et les volcans. La Camargue, les Pyrénées et le Massif central en France connaissent de tels essaims.
Comment fonctionne un sismographe ?
Un sismographe repose sur le principe de l’inertie : une masse lourde suspendue (ou montée sur un ressort) reste temporairement immobile quand le sol tremble, alors que la structure de l’appareil se déplace avec le sol. Le mouvement relatif entre la masse et la structure enregistre les vibrations. Aujourd’hui, les sismographes modernes (MEMS, broadband) sont électroniques : ils convertissent ce mouvement relatif en signal électrique numérique, exploitable sur ordinateur. Les données des réseaux mondiaux (IRIS, GEOSCOPE) sont accessibles librement en ligne.