Séismes - épicentre, magnitude et sismographe

Dès qu'un séisme survient dans le monde, des milliers de sismographes enregistrent les ondes qui sont ensuite analysées (à l'aide de logiciels ou à la main) pour en calculer l'épicentre et la magnitude. En très peu de temps, ces informations sont ensuite disponible à tous sur des sites tels que le USGS (United-States Geological Survey) ou le CSEM-EMSC (Centre Sismologie Euro-Méditerranéen).

Mais comment calcule-t-on l'épicentre d'un séisme au Japon à partir d'un sismographe au Québec? Ou sa magnitude? À l'aide d'un sismogramme, l'enregistrement des ondes sismiques.

Localisation des sismographes dans le monde
Source : International Seismological Centre

Épicentre, Magnitude et Sismographe

Sismogramme (simplifié)
Source : USGS

L'épicentre est le lieu, à la surface de la Terre, où un séisme s'est produit. Cette localisation est indépendante de la profondeur du séisme.

La magnitude sur l'échelle de Richter est une mesure logarithmique de l'énergie dégagée par un séisme basé sur les ondes sismiques enregistré par le sismographe. Un séisme de 6.0 aura une amplitude d'onde maximale 10x plus grande qu'un séisme de 5.0 et 100x plus grande qu'un séisme de 4.0.

Malgré le facteur de 10 appliqué à l'amplitude de l'onde sismique, l'énergie dégagée dans un séisme de 6 est 31x plus grande que dans un séisme de 5, et 961x plus grande que dans un séisme de 4.0. (voir un exemple de ce calcul)

Quelque fois, l'échelle de Mercalli sera utilisée, mais elle ne représente que les dommages associés à un séisme.

Un sismographe est un appareil servant à enregistrer les ondes sismiques. Habituellement solidement ancré au socle rocheux (ou à un bloc de béton sur le sole), un pendule est positionné pour bouger de gauche à droite au-dessus d'un papier d'enregistrement. L'enregistrement est un sismogramme.

Sismogramme - Ondes P, S et de surfaces

La sensibilité d'un sismographe, sa proximité d'un séisme et la magnitude du séisme sont des facteurs importants pour permettre la détection d'un tremblement de terre. Un séisme de 2.0 pourra être détecté par des sismographes locaux alors que le séisme du Japon du mois de mars 2011 aura été enregistré par la plupart des sismographes dans le monde.

Les sismogrammes sont habituellement présentés en millimètres (pour l'amplitude, y) et en minutes ou secondes (pour la distance, x).

Le sismogramme, ou l'enregistrement, présentera trois caractéristiques distinctes : les ondes P (primaires ou de compression), les ondes S (secondaire ou de cisaillement) et les ondes de surfaces (Love et Raleigh).

Source : Pierre-André Bourque
Exemple d'un sismogramme (simplifié)

Ondes P

Les ondes P (de compression) sont les premières à atteindre un sismographe. Elles se déplacent horizontalement, d'avant à arrière dans le sens de la propagation, et peuvent traverser toutes les couches de la Terre (liquide ou solide). Ces ondes peuvent être représentées par un ressort dont on compresse l'un des côtés avant de le relâcher. Ce sont les ondes avec la plus petite amplitude.

Source : Pierre-André Bourque

Ondes S

Les Ondes S (de cisaillement) sont les deuxièmes ondes à atteindre le sismographe. Elles représentent un mouvement verticale, de haut en bas, et ne traversent que la partie solide de la Terre (elles ne traversent pas le centre liquide de la Terre).

Source : Pierre-André Bourque

Ondes de surface

Les ondes de surface (Raleigh et Love) arrivent après les ondes P et S. Elles ne se propagent qu'à la surface de la Terre. Les ondes de Love se déplacent de gauche à droite seulement, alors que les ondes de Raleigh combinent un mouvement verticale à celui d'un roulement.

Trouver la magnitude et l'épicentre d'un séisme

Épicentre

Pour déterminer l'épicentre d'un séisme, trois sismogrammes sont nécessaire pour faire une triangulation. Sur les différents sismogrammes, la distance (en minutes) entre la première arrivée des ondes P et S est calculé. Lorsqu'un séisme se produit près du sismographe, les ondes S seront très proche des ondes P et celles-ci pourraient ne pas être bien identifiées.

Par la suite, cette distance (en minutes) sera reportée sur une courbe étalonnée. Cette courbe ne change pas d'un séisme à l'autre puisque les vitesses des ondes P et S sont clairement définies pour la croûte terrestre (à ne pas confondre avec les vitesses des ondes P et S dans différents matériaux utilisées en géophysique).

Source : Pierre-André Bourque
La distance en minutes entre les ondes P et S est reportée sur ces courbes.
Dans cet exemple, une distance de 6 minutes donne une distance
entre le sismographe et le séisme de 5000 kilomètres.

Une fois la distance calculée, ce traitement est effectué sur au moins deux autres sismogrammes. Les distances sont ensuite reportées sur une carte où une localisation unique sera indiquée.

Source : Michigan Tech University
Exemple de localisation de l'épicentre d'un séisme grâce à trois sismographes.
Les cercles représentent la distance calculée entre les sismographes et l'épicentre.

Magnitude

La magnitude d'un séisme est calculée à partir de l'ampleur maximale des ondes S (en millimètres) et de la distance entre le sismographe et l'épicentre.

Par la suite, un nomogramme peut être utilisé pour déduire la magnitude.

Source : Michigan Tech University
La distance (en km) entre le sismographe et l'épicentre est reportée à gauche,
alors que l'amplitude de l'onde S est reportée sur l'échelle de droite.
Une ligne droite entre les deux points indiquera la magnitude sur l'échelle centrale.

Pour en savoir plus...
Graphique de vélocité pour les ondes P et S
Cours Planète Terre par Pierre-André Bourque
Seismic Waves and Earth Interior