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1 COURS DISPONIBLE SUR INTERNET Serveur step.ipgp.jussieu.fr TICE Serveur de Cours

2 PLAN 1 ) ) Energie et températures dans la Terre 2 ) Eléments de dynamique 3 ) ) Champ de pesanteur 4 ) ) Mesure de la déformationd 5 ) ) Sismologie et tremblements de terre 6 ) ) Chimie des roches

3 Chapitre 5 Sismologie et tremblements de terre

4 5.1. Les ondes sismiques 5.2. Principes d imagerie d du sous-sol 5.3. Tremblements de terre et failles actives

5 L activité géologique : marquée e par les tremblements de terre Aegean Seismicity

6 Anomalies de vitesse V à S 100 km de profondeur %

7 Structure profonde de l Islande

8 Les zones de subduction

9 L épaisseur de l él écorce continentale

10 Deux types d ondes sismiques Ondes de volume (P et S) Se progagent à l intérieur d un milieu. Ondes de surface Ondes de Surface (Love et Rayleigh) Se propagent à la surface. Vitesses plus faibles. S atténuent moins. Ondes de volume

11 Les ondes sismiques (élastiques): 1. Ondes de volume Milieu non perturbé Longueur d onde Direction de propagation Longueur d onde Direction de propagation Onde P : changement de volume (dilatation/ compression). Plus rapide que l onde S. Onde S : cisaillement, pas de variation de volume. Ne peut se propager dans un liquide (IMPORTANT).

12 Onde P Onde S

13 Vitesse des ondes élastiques ( λ ) V ~ ρ 1/2 (formule exacte plus compliquée) Dimensions : [λ]] = Pa = M γ / S = M L T -2 [ρ]] = M L -3-2 L -2-2 = M L -1-1 T -2 [λ / ρ] ] = L 2 T -2

14 Vitesse des ondes élastiques ( λ ) V ~ ρ 1/2 (formule exacte plus compliquée) λ module élastique ρ densité kg m Pa -1 V m s km s -1 V p 6-8 km s -1 V s 3-5 km s -1

15 2. Ondes de surface Propagation Ondes de Love : proches des ondes S (mais en surface) Pas de mouvement vertical Ondes de Rayleigh : analogues aux vagues. Les particules suivent des trajectoires elliptiques.

16 Onde de Love Onde de Rayleigh

17 Ondes de Love

18 Ondes de Rayleigh

19 Séïsme de Izmit, Turquie (17 sept. 1999) M = 7.8 Enregistrement à Boston, Massachusetts (11 minutes après) Ondes de surface P S

20 Période, fréquence et longueur d onde La période, T, est le temps pour parcourir un cycle. Période Amplitude Temps La fréquency, f, est égale à 1/T. Unité: s -1 ou Hz. La longueur d onde, λ, est la distance parcourue en une période. λ = V T = V / f Unité : m.

21 Amplitude et Energie L Amplitude, A, est mesurée de pic à pic. Pour une onde d amplitude A et de période T, l énergie cinétique est: E = 1/2 m V *2 (Attention : V* est la vitesse de déplacement d un point matériel, pas la vitesse de propagation de l onde). E = 1/2 m V *2 = 2 m (A/T) 2 = 2 ρ V vol (A/T) 2 Par unité de volume: E * = 2 ρ (A/T) 2

22 Le sismomètre Par inertie, la masse ne se déplace d pas et enregistre les mouvements.

23 Quelques valeurs des vitesses V P et V S (en km s-1) Matériau Air Eau Hydrocarbure Granite Grès Calcaire V P V S / / /

24 La vitesse des ondes sismiques varie avec la composition V p (km s-1)

25 Autres effets Température : la vitesse décrod croît t quand T croît. Pression : la vitesse croît t quand P croît. Fusion partielle : la vitesse décrod croît quand les roches sont partiellement fondues.

26 Profondeur (m) Ondes dans un milieu stratifié

27 Profondeur (m) Temps

28 Réfléchie Directe Réfractée

29 L étude des rais sismiques (analogues des rayons lumineux) Front d onded

30 L étude des rais sismiques (analogues des rayons lumineux) Rai (perpendiculaire uu front d onde) d Front d onded Le rai représente la direction de propagation

31 Réfraction : loi de Descartes - Snell V 1 α sin(α) V 1 = sin(β) V 2 V 2 β (V 2 > V 1 )

32 Réflexion α α V 1 V 2

33 Trajets des ondes

34 Réfraction Réfraction et réflexion d un pinceau de lumière Réflexion

35 Réfraction dans la Terre (géom ométrie sphérique) Principe Les vitesses augmentent avec la profondeur (effet de la pression) Les rais ont une courbure positive : ils remontent.

36 TRAJETS DES RAIS SISMIQUES DANS LA TERRE

37 ATTENUATION DES ONDES 1. Ondes de volume Géométrie : l onde se propage avec un front d onde sphérique. L énergie se conserve (à peu près). La surface mise en mouvement au front croît en r -2 (r = distance de la source). Donc l énergie de l onde décroît en r --2. Plan tangent (rai normal) Front d onde

38 Atténuation : les hautes fréquences sont atténu nuées plus fortement Récepteur lointain Récepteur proche

39 ATTENUATION DES ONDES DE SURFACE Le front d onde d est une ligne dont la longueur est proportionnelle à r. L énergie varie donc en 1/r. MOINS D ATTENUATIOND QUE POUR LES ONDES DE VOLUME: PLUS DANGEREUSES. r = a sin Δ Maximum pour Δ = 90 Minimum pour Δ = 0 ou 180. Energie minimum pour Δ = 90º, Maximum pour Δ = 0º et 180º

40 Tremblement de terre de Sumatra (décembre 2004) Atténuation maximum Temps (minutes)

41 Attenuation des effets d un séïsme Séïsme de Northridge (1994) Intensité

42 Séïsme de Izmit, Turquie (17 sept. 1999) M = 7.8 Enregistrement à Boston, Massachusetts (11 minutes après) Ondes de surface P S Origine du bruit sismique?

43 ATTENUATION DES ONDES 1) Géométrie. 2) Diffusion - dispersion : l onde rencontre des hétérogénéïtés (obstacles). L énergie est ré-émise dans toutes les directions.

44 Les réverbr verbérations rations sismiques (coda) t o t 1 t 2 t o : Onde directe Toutes ces ondes arrivent au même m me temps t = t 1 L onde directe a le trajet le plus court et arrive la première à t = t o. A un temps t > t o, des ondes réfléchies par les innombrables hétérogénéïtés du sous-sol arrivent. On peut dessiner le lieu des points de réflexion pour lesquels les ondes ont le même temps de trajet jusqu au récepteur. On peut montrer que ce lieu est une ellipse (dans un milieu à vitesse uniforme).

45 Les réverbr verbérations rations sismiques (coda) t o t 1 t 2 t o : Onde directe Toutes ces ondes arrivent au même m me temps t = t 1 L onde directe a le trajet le plus court et arrive la première à t = t o. A un temps t > t o, des ondes réfléchies par les innombrables hétérogénéïtés du sous-sol arrivent. On peut dessiner le lieu des points de réflexion pour lesquels les ondes ont le même temps de trajet jusqu au récepteur. On peut montrer que ce lieu est une ellipse (dans un milieu à vitesse uniforme).

46 Effets de site : région de Grenoble Séïsme de Nice

47 Focalisation - défocalisation des ondes par une interface irréguli gulière Onde incidente Interface

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