PROPAGATION DES ONDES SISMIQUES ET STRUCTURE SUPERFICIELLE DU GLOBE

vendredi 28 mars 2008
par  Marc Tartière
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Activité Pratique
Propagation des ondes sismiques et structure superficielle du globe


Travail réalisé par N. Wozniak et J. Minier - Lycée Picasso - Perpignan

Les ondes sismiques émises au cours des séismes se propagent dans le globe. La propagation de ces ondes doit nous apporter des informations quant à la structure du globe.
 
On étudie un séisme qui a eu lieu en Italie (région d’Asti) le 21.01.2007.
 
A) Extraction des sismogrammes.
Ouvrir le site de SISMOS à l’école (www.edusismo.org).

Rechercher dans la base de données le séisme correspondant : événements sismiques/sismogrammes sélectionnés par le réseau/accéder au moteur de recherche/date : année 2007 en entier /21.01.2007 (Région d’Asti).

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Afficher les sismogrammes de la composante verticale (Z) pour les stations notées en jaune.

Un nouveau logiciel s’ouvre : Séisgram.

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B) interprétation des sismogrammes.
  1. Synchronisez les tracés.
  2. Pointez les deux types d’ondes sur les 4 sismogrammes
    - mettre le curseur à l’arrivée des premières ondes (ondes P)
    - faire de même avec les ondes arrivées en second (ondes S)
  3. Compléter le polycopié en ajoutant les deux types d’ondes P et S.

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  4. Découper les enregistrements et recoller-les sur votre feuille en les plaçant dans l’ordre par rapport à la distance à l’épicentre.

 

Problème : Quelle est l’origine de la différence de vitesse des ondes P et S ?

 

Ce ne sont pas les mêmes types d’ondes (ou elles n’ont pas pris le même chemin).

Connaissez-vous des types d’ondes ? On les montre avec un transparent et avec un ressort et une corde 

 ® ondes de compression

 ® ondes de cisaillement

 

Quelles sont les ondes les plus rapides ? 
Manipulation sur les poutres ou plaques de granite ou poutres de calcaire ® calcul des vitesses

- Lancer le logiciel « Audacity ». Donner un choc à l’extrémité de l’échantillon
- Zoomer sur le tracé et mesurer le retard entre des deux tracés
- Calculer la vitesse des ondes

Les ondes de compression sont plus rapides que les ondes de cisaillement. Donc les ondes P sont des ondes de compression et les ondes S sont des ondes de cisaillement.
 
La propagation des ondes sismiques doit permettre de déterminer la nature des roches inaccessibles à condition qu’il y ait une relation entre la nature des roches et la propagation de ces ondes.
Quelle est cette relation ? La vitesse des ondes dépendrait de la nature de la roche.
Nature des roches et vitesse des ondes sismiques
- Echanger l’échantillon avec un autre binôme (changer de table) et faire les mesures de Vp sur un autre matériel qu’en I.
- Conclure
 Les ondes sismiques ont une vitesse plus élevée dans le granite que dans les roches sédimentaires (calcaire et grés). La vitesse est encore plus élevée dans la barre de fer.
 
Problème : Quel est (ou quels sont) le (ou les) facteur(s) qui peuvent faire varier la vitesse des ondes dans les roches ?
Hypothèse : la masse volumique (ou la densité) de la roche, plus la roche serait dense et plus la vitesse des ondes serait élevée.
Densité = masse volumique de la roche /masse volumique de l’eau
 
Mesure de la masse volumique des roches
Matériel disponible : Balance, éprouvette graduée, échantillon de roches
Etablir un protocole simple pour mesurer la densité des roches.
Evaluer la masse volumique des roches suivantes :
 - échantillons testés en II : granite + calcaire (ou grés)
 - basalte, gabbros, gneiss
Présenter toutes vos mesures dans un tableau.
Conclure.
L’hypothèse est validée, plus la masse volumique (ou la densité) de la roche est élevée, plus la vitesse de propagation des ondes sismiques est grande.
 
Application : schématisation de la structure superficielle du globe
Délimiter et colorier sur le document ci-dessous la croûte continentale et la croûte océanique
Document : Vitesse des ondes P (en km/s) prés de la surface du globe
Information : Les vitesses de 8,1 km/s et au-delà correspondent aux vitesses des ondes P dans le manteau

Prolongement possible : Calcul de la profondeur du Moho d’après le temps d’arrivée de l’onde P réfléchie dans le 3ème tracé.

Démarche : Observez le tracé de la station SDTF. On constate qu’il y a un train d’onde entre les ondes P et S que l’on peut appeler ondes P retardées.

Proposez une hypothèse sur l’origine de ces ondes retardées.
Elles n’ont pas fait le même trajet, il a été plus long ou autre chose…
On réfléchit ensemble sur l’existence d’une discontinuité.
 
Calculez la profondeur de la discontinuité (de Moho), sachant que les ondes P ont une vitesse de propagation de 5,5 km/s. On admet que le foyer du séisme est proche de la surface.
Calculs : vitesse = distance / temps
Temps d’arrivée des ondes : 
 - pointez P et la différence Tp-To s’affiche automatiquement (= 13.8s)
 - pointez autre (PmP) et le retard par rapport à P directe apparaît (= 8.6 s)
 
Distance parcourue par P directe = 5.5 *13.8 = 75.9 Km .
Distance parcourue par PmP = 5.5*(13.8 + 8.6) = 123 km
On a (FH)² = (FG)² = (GH)²
Profondeur du Moho GH =  (61.5²-37.9²)^ 1/2 = 48.3 km.
Ceci est cohérent car nous sommes dans les Alpes.

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