Les ondes sismiques, une échographie du globe

Quand une échographie montre un bébé dans le ventre de sa mère, personne n'a ouvert le ventre : des ondes sont envoyées, puis renvoyées différemment par chaque tissu. Les sismologues font la même chose avec la Terre, sauf que les ondes viennent des séismes. Chaque grand séisme envoie des vibrations dans tout le globe, et des milliers de stations les enregistrent. Au programme : les ondes P, les ondes S et les ondes de surface, et la façon dont leurs trajets ont permis de dessiner les enveloppes de la Terre.

Les ondes P, pour primaires, sont les plus rapides : ce sont toujours les premières sur un enregistrement. Elles avancent en comprimant puis en étirant la roche, un peu comme un ressort qu'on pousse d'un coup sec. Selon le Service géologique britannique, elles vont de 5 à 7 kilomètres par seconde dans la croûte et dépassent 8 kilomètres par seconde dans le manteau. Elles traversent aussi les liquides : dans l'eau, elles ralentissent vers 1,5 kilomètre par seconde. Une onde P partie d'un séisme en Haïti arrive ainsi à Bruxelles, à plus de 7 000 kilomètres, en une dizaine de minutes environ.

Les ondes S, pour secondaires, arrivent après les ondes P. Elles font bouger la roche perpendiculairement à leur direction, comme une corde qu'on secoue de haut en bas. Elles sont plus lentes : 3 à 4 kilomètres par seconde dans la croûte, environ 4,5 dans le manteau. Leur particularité est capitale : elles ne se propagent pas dans un liquide. Un liquide ne résiste pas au cisaillement, il n'a pas de forme propre. Retiens bien ce point, car c'est lui qui va trahir l'état du noyau. Partout où les ondes S disparaissent, les sismologues soupçonnent une couche liquide.

Il existe une troisième famille : les ondes de surface, appelées ondes de Love et ondes de Rayleigh. Elles ne traversent pas le globe, elles courent le long de sa surface, entre 2 et 4,5 kilomètres par seconde selon leur fréquence. Ce sont les dernières à arriver, mais souvent celles qui font le plus de dégâts, car elles produisent de grands mouvements du sol. Quand des témoins d'un fort séisme racontent que le sol ondulait sous leurs pieds, ce sont surtout ces ondes qu'ils décrivent. Pour étudier l'intérieur du globe, on s'intéresse plutôt aux ondes P et S.

Les deux premières familles servent aussi à localiser un séisme. Comme les ondes S sont plus lentes, l'écart entre l'arrivée des P et celle des S grandit avec la distance. C'est le même principe que l'éclair et le tonnerre : plus le bruit tarde, plus l'orage est loin. Chaque station transforme son écart en distance, puis on trace autour d'elle un cercle de ce rayon. Avec trois stations, par exemple à Dakar, à Bamako et à Abidjan, les trois cercles se croisent en un point : l'épicentre. Dans le lab, tu feras ce calcul toi-même avec des vitesses simples.

Dans la Terre, les ondes ne voyagent pas en ligne droite. Leur vitesse augmente en général avec la profondeur, ce qui courbe leurs trajets, et elle change brusquement quand elles franchissent une limite entre deux enveloppes. Là, une partie de l'onde est déviée, une autre est renvoyée vers la surface, comme la lumière sur une vitre. En comparant les heures d'arrivée dans des stations du monde entier, les sismologues repèrent ces limites. La première, sous la croûte, porte le nom du sismologue croate Andrija Mohorovičić : on l'appelle simplement le Moho.

Voici la découverte la plus élégante de la sismologie. Après un grand séisme, les stations situées à plus de 103 degrés de l'épicentre, angle mesuré depuis le centre de la Terre, ne reçoivent plus d'ondes S directes. Entre 103 et 143 degrés, même les ondes P directes manquent, car le noyau les dévie. La seule explication cohérente est une couche liquide qui commence vers 2 900 kilomètres de profondeur : le noyau externe. Plus tard, dans les années 1930, la sismologue danoise Inge Lehmann a montré qu'au centre se trouve une partie solide, le noyau interne, qu'on appelle aussi la graine.

Récapitulons. Les ondes P sont les plus rapides et traversent solides et liquides. Les ondes S sont plus lentes et ne traversent pas les liquides. Les ondes de surface arrivent en dernier et font souvent le plus de dégâts. L'écart entre P et S donne la distance d'un séisme, et trois stations suffisent à le localiser. Enfin, la disparition des ondes S au-delà de 103 degrés a révélé un noyau externe liquide. Pour t'exercer, ouvre la carte des séismes de l'USGS, repère le dernier séisme fort enregistré dans le monde et note sa profondeur. Prochaine leçon : ce que contient chaque enveloppe.