Lors d'un séisme, le sol ne tremble pas de façon uniforme. L'énergie libérée à l'épicentre se propage à travers et le long de la Terre sous forme de différents types d'ondes. Parmi les plus importantes figurent les ondes P et les ondes S.
Lorsqu'un sismomètre enregistre un tremblement de terre, le premier signal reçu est généralement l'onde P. Un peu plus tard, l'onde S, plus lente, arrive. Si l'on est suffisamment éloigné de l'épicentre, cette différence peut parfois être ressentie : d'abord une légère et brève vibration, suivie de secousses plus fortes.
Mais la différence entre les ondes P et S ne se limite pas à l'ordre d'arrivée.
Les ondes P peuvent se propager aussi bien dans les solides que dans les liquides, contrairement aux ondes S. Cette propriété, en apparence simple, a constitué l'un des éléments de preuve les plus importants qui ont permis aux scientifiques de comprendre que le noyau externe de la Terre, situé à des milliers de kilomètres sous nos pieds, est liquide.
Ces mêmes ondes sont encore utilisées aujourd'hui pour localiser les séismes, étudier la structure interne de la Terre et faire fonctionner les systèmes d'alerte précoce aux séismes.
Que sont exactement les ondes P et S ? Laquelle est la plus rapide ? Laquelle cause le plus de dégâts ? Et pourquoi les ondes S ne peuvent-elles pas se propager dans les liquides ?
Que sont les ondes P et les ondes S ?
Les ondes P et S sont classées comme ondes de volume , c'est-à-dire des ondes sismiques qui se propagent à l'intérieur de la Terre.
Cela signifie qu'ils ne se déplacent pas seulement à la surface de la Terre. Ils peuvent traverser la roche et pénétrer profondément à l'intérieur de la planète.
Lorsqu'une faille se rompt brutalement au cours d'un séisme, une grande quantité d'énergie élastique emmagasinée est libérée. Cette énergie est transférée aux roches environnantes et produit différents types d'ondes sismiques.
Le P dans onde P signifie Primaire.
Le S dans onde S signifie secondaire.
La raison de ces noms est simple :
Les ondes P atteignent d'abord une station sismique.
Les ondes S arrivent plus tard.
Cependant, leur façon de se déplacer dans la matière est complètement différente.
Ondes P vs ondes S : principales différences
| Fonctionnalité | Ondes P | Ondes S |
|---|---|---|
| Nom complet | Vagues primaires | Ondes secondaires |
| Arrivée à la station sismique | Prénom | Après les ondes P |
| Speed | plus rapide | Ralentissez |
| Mouvement des particules | Compression et expansion | Mouvement de cisaillement |
| Voyager à travers les solides | Oui | Oui |
| Voyager à travers les liquides | Oui | Non |
| Voyager à travers les gaz | Oui | Non |
| Type de vague | Longitudinal / compressionnel | Transversal / cisaillement |
| secousses typiques | Généralement plus faible | Souvent plus fort |
| Importance de l'étude de l'intérieur de la Terre | Très élevé | Très élevé |
Le tableau présente les principales différences entre les deux vagues, mais le plus intéressant est de comprendre pourquoi ces différences existent.
Que sont les ondes P ?
P-wave diagram showing compression and expansion as particles move parallel to the direction of wave travelLes ondes P sont les ondes sismiques les plus rapides produites lors d'un tremblement de terre.
C’est pourquoi ce sont généralement les premières ondes sismiques détectées par un sismomètre.
Lorsque les ondes P se propagent, elles déplacent les particules rocheuses d'avant en arrière dans la même direction que celle de la propagation de l'onde elle-même.
Vous pouvez vous représenter cela en pensant à un ressort.
Si vous comprimez une extrémité d'un ressort puis la relâchez, la partie comprimée se déplace à travers le ressort. Le ressort dans son ensemble ne se déplace pas d'une extrémité à l'autre ; l'énergie se propage par compression et détente répétées.
Les ondes P se comportent de manière similaire.
Le rocher est brièvement :
comprimé → dilaté → à nouveau compressé.
C’est pourquoi les ondes P sont également appelées ondes de compression.
La propagation des ondes sonores dans l'air repose sur un principe similaire.
À quelle vitesse se propagent les ondes P ?
Les ondes P n'ont pas une vitesse fixe.
Leur vitesse dépend du matériau qu'ils traversent, notamment de sa :
- densité,
- propriétés élastiques,
- pression,
- Température,
- composition minérale.
À l'intérieur de la croûte terrestre, les ondes P se propagent généralement à travers la roche à une vitesse d'environ 5 à 8 kilomètres par seconde.
Leur vitesse peut augmenter dans les parties plus profondes et plus denses du manteau.
C'est extrêmement rapide.
Une onde P se propageant à 6 kilomètres par seconde peut parcourir environ 60 kilomètres en seulement 10 secondes.
Cependant, la vitesse des ondes P n'est pas constante sur toute la surface terrestre. En traversant des couches de densités et de compositions différentes, ces ondes peuvent se réfracter, se réfléchir et changer de vitesse.
C’est l’une des raisons pour lesquelles les scientifiques peuvent utiliser les ondes sismiques pour étudier la structure interne de la Terre.
Que ressent-on lors d'une onde P pendant un tremblement de terre ?
En fonction de la distance par rapport à l'épicentre du séisme et de la géologie locale, une onde P peut se manifester par une brève secousse ou une légère vibration.
Certaines personnes décrivent les grands tremblements de terre en disant :
« Il y a d'abord eu une légère secousse, puis quelques secondes plus tard, les fortes secousses ont commencé. »
Cela ne signifie pas toujours que la personne a ressenti distinctement les ondes P et S. La géologie locale, la réaction du bâtiment et d'autres ondes sismiques peuvent modifier la perception d'un tremblement de terre.
Cependant, lorsqu'une personne se trouve suffisamment loin de l'épicentre du séisme, la différence entre les temps d'arrivée des ondes P et S peut devenir perceptible.
Ce décalage horaire est également l'un des principes qui sous-tendent les systèmes d'alerte précoce aux séismes.
Que sont les ondes S ?
S-wave diagram showing shear motion as particles move perpendicular to the direction of wave travelLes ondes S sont le deuxième type majeur d'ondes corporelles et se propagent plus lentement que les ondes P.
Leur mouvement, en revanche, est complètement différent.
Alors que les ondes P compriment et dilatent le matériau dans la direction de leur propagation, les ondes S déplacent les particules perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde.
Par exemple, si la vague se déplace vers l'est, les particules rocheuses peuvent se déplacer de haut en bas ou latéralement.
Pour cette raison, les ondes S sont également appelées ondes de cisaillement.
Les ondes S peuvent souvent produire des secousses plus importantes que les ondes P. Cependant, il serait inexact d'affirmer que les ondes S sont toujours responsables des dégâts les plus importants lors des séismes. Les ondes de surface, notamment les ondes de Love et de Rayleigh, peuvent engendrer des secousses plus fortes et plus durables lors des séismes majeurs.
Pourquoi les ondes S ne peuvent-elles pas se propager dans les liquides ?
C'est probablement la différence la plus importante entre les ondes P et les ondes S.
Les ondes P peuvent se propager à travers :
solides + liquides + gaz
Les ondes S, cependant, ne peuvent se propager qu'à travers des matériaux capables de supporter une contrainte de cisaillement.
La raison en est qu'une onde S exige que le matériau résiste à la déformation latérale.
Si vous poussez latéralement une partie d'une roche solide, celle-ci résiste à la déformation et peut transférer la force au matériau voisin.
Un liquide ne se comporte pas de la même manière.
Lorsqu'une partie d'un liquide est poussée latéralement, le liquide s'écoule et change de forme. Il ne peut pas maintenir une contrainte de cisaillement comme le ferait un solide.
Pour cette raison, les liquides n'ont pratiquement aucune rigidité au cisaillement pour la propagation des ondes sismiques, et les ondes S ne peuvent pas les traverser.
Cette propriété s'est avérée extrêmement importante pour comprendre la structure de la Terre.
Lesquelles sont les plus rapides : les ondes P ou les ondes S ?
Les ondes P sont plus rapides.
C’est pourquoi on les appelle « vagues primaires ».
Au sein d'une même roche, une onde P se propage toujours plus vite qu'une onde S.
Par exemple, dans un matériau où une onde P se propage à environ 6 kilomètres par seconde, une onde S pourrait se propager à environ 3 à 4 kilomètres par seconde.
Plus la distance par rapport à l'épicentre du séisme augmente, plus la différence entre leurs temps d'arrivée s'accroît.
À proximité de l'épicentre du séisme, les ondes P et S peuvent arriver à quelques secondes d'intervalle seulement.
À des centaines de kilomètres de distance, la différence peut devenir beaucoup plus importante.
Les sismologues utilisent cette différence pour estimer la distance entre l'épicentre d'un séisme et une station sismique.
Qu’est-ce que l’intervalle de temps S–P ?
Sur un sismogramme, l'onde P arrive en premier.
L'onde S suit plus tard.
La différence entre ces temps d’arrivée est appelée intervalle S–P.
Par exemple :
Si l'onde P arrive à 10:00:00,
et l'onde S arrive à 10:00:20,
L'intervalle S–P est d'environ 20 secondes.
En général, plus cet intervalle est grand, plus la source du séisme est éloignée de la station.
Une seule station ne peut déterminer avec précision la direction de l'épicentre d'un séisme. Cependant, la combinaison des données provenant de stations sismiques situées à différents endroits permet de calculer la localisation du séisme avec une grande précision.
On explique souvent cela à l'aide d'exemples simples avec trois stations et la triangulation géométrique.
La sismologie moderne, en revanche, utilise les données d'un nombre beaucoup plus important de stations et combine les temps d'arrivée des ondes P et S avec des modèles informatiques et des méthodes inverses.
Qu'est-ce qui cause le plus de dommages : les ondes P ou les ondes S ?
En général, les ondes S peuvent produire des secousses plus fortes que les ondes P.
Cela s'explique en partie par le fait que leur mouvement de cisaillement peut contraindre les structures à effectuer des mouvements horizontaux ou verticaux plus importants.
Cependant, la déclaration :
« Les ondes S sont responsables de la plupart des dégâts causés par les séismes. »
n'est pas toujours correct.
Les ondes de surface peuvent devenir beaucoup plus importantes lors de séismes de grande ampleur.
En particulier:
Vagues d'amour
et
Vagues de Rayleigh
se déplacent près de la surface de la Terre et peuvent créer des mouvements de sol de grande amplitude.
Les ondes de Rayleigh peuvent déplacer le sol selon un mouvement de roulement elliptique, un peu semblable aux vagues océaniques.
Les ondes d'amour créent un fort mouvement horizontal latéral.
C’est pourquoi les ondes de surface peuvent être responsables d’une part importante des dommages structurels lors des séismes majeurs.
Ondes P vs ondes S vs ondes de surface
Il est utile de diviser les principales ondes sismiques en trois groupes de base.
Ondes P
Ce sont les plus rapides.
Ils voyagent à travers l'intérieur de la Terre.
Ils peuvent traverser les solides, les liquides et les gaz.
Ondes S
Elles sont plus lentes que les ondes P.
Ils voyagent également à travers l'intérieur de la Terre.
Ils ne peuvent se déplacer que dans les solides.
Ondes de surface
Ils voyagent près de la surface de la Terre.
Elles sont généralement plus lentes que les ondes P et S.
Cependant, elles peuvent avoir une grande amplitude et causer des dégâts importants dans les zones peuplées.
Un ordre d'arrivée simplifié lors d'un tremblement de terre peut donc s'écrire comme suit :
P → S → ondes de surface
Les sismogrammes réels sont plus complexes. Lorsque les ondes sismiques interagissent avec les limites internes de la Terre, elles peuvent se réfléchir, se réfracter et produire de nombreuses phases sismiques différentes.
Comment les ondes P et S ont-elles révélé la structure interne de la Terre ?
L'une des applications les plus impressionnantes des ondes sismiques est qu'elles nous permettent d'explorer des parties de la Terre que l'homme n'a jamais atteintes physiquement.
Les forages les plus profonds jamais réalisés sont minuscules comparés au rayon de la Terre.
La distance entre la surface de la Terre et son centre est d'environ 6 371 kilomètres.
Pourtant, les scientifiques en savent beaucoup sur :
- la croûte,
- le manteau,
- le noyau externe,
- le noyau interne.
L'une des principales raisons est liée aux ondes sismiques.
En un sens, les grands séismes créent une sorte d'ultrasons naturels de la planète.
Les scientifiques étudient quelles ondes sismiques atteignent différentes stations, où elles disparaissent, où leur vitesse change et comment elles se courbent en traversant la Terre.
À partir de ces observations, ils peuvent déduire ce qui se cache profondément sous la surface.
Comment les ondes S ont-elles démontré que le noyau externe de la Terre est liquide ?
Lors d'un séisme important, les ondes S peuvent se propager à travers le manteau terrestre.
Mais lorsqu'ils atteignent la limite du noyau externe, quelque chose change.
Le noyau externe est liquide.
Les ondes S ne pouvant pas se propager dans les liquides, elles ne traversent pas le noyau externe.
Par conséquent, il existe des régions situées à l'opposé de la Terre où les ondes S directes ne sont pas enregistrées.
Cette région est connue sous le nom de zone d'ombre des ondes S.
Cette observation a conduit les scientifiques à une conclusion importante.
Si la Terre était entièrement solide, les ondes S auraient dû pouvoir se propager à travers le noyau.
Mais ils ne l'ont pas fait.
Cela est devenu l'une des preuves sismiques les plus convaincantes que le noyau externe de la Terre est liquide.
Qu'est-ce que la zone d'ombre des ondes P ?
La situation est différente avec les ondes P.
Les ondes P peuvent se propager dans les liquides.
Ainsi, lorsqu'ils atteignent le noyau externe, ils ne disparaissent pas complètement.
Cependant, lorsque les ondes P passent du manteau solide au noyau externe liquide, leur vitesse et leur direction changent considérablement.
Elles sont fortement réfractées.
En raison de cette réfraction, il existe une région à la surface de la Terre où les ondes P directes sont absentes ou fortement atténuées.
Cette région est appelée zone d'ombre des ondes P.
En étudiant conjointement les zones d'ombre des ondes P et S, les scientifiques ont beaucoup appris sur la structure du noyau terrestre.
L'analyse ultérieure des différentes phases des ondes P a également permis aux scientifiques de déterminer l'existence d'un noyau interne solide au centre de la planète.
Comment les systèmes d'alerte précoce aux séismes utilisent-ils les ondes P ?
La vitesse élevée des ondes P n'est pas qu'un fait théorique.
Cela peut constituer un avantage vital.
Lorsqu'un tremblement de terre se déclenche, les ondes P se propagent rapidement loin de la source.
Les ondes S et une grande partie des secousses les plus fortes se propagent plus lentement.
Les systèmes d'alerte précoce aux séismes utilisent des capteurs rapides pour détecter les premières ondes P.
Le système peut alors :
- Détecter la première onde P.
- Commencez par estimer la localisation et l'ampleur du séisme.
- Envoyer des alertes aux zones où des secousses plus fortes sont attendues.
Ces systèmes ne permettent pas de prédire les tremblements de terre.
Le tremblement de terre a déjà commencé.
Mais les signaux de communication se propagent beaucoup plus vite que les ondes sismiques, de sorte que les personnes situées à une certaine distance de l'épicentre du séisme peuvent recevoir plusieurs secondes, voire des dizaines de secondes dans certains cas, d'avertissement.
Cependant, à proximité immédiate de la zone épicentrale, le délai d'alerte peut être extrêmement court, voire inexistant.
Peut-on observer les ondes P et S ?
Pas directement.
Une onde sismique se propageant à travers une masse rocheuse est normalement invisible à l'œil nu.
Mais ses effets peuvent être mesurés.
Des instruments très sensibles appelés sismomètres enregistrent les mouvements du sol.
L'enregistrement obtenu est appelé sismogramme.
Sur un sismogramme, le premier mouvement, de plus faible amplitude, marque souvent l'arrivée de l'onde P, suivie d'un mouvement plus fort de l'onde S, puis de l'énergie des ondes de surface.
Ces enregistrements permettent de détecter les séismes de grande ampleur même par des stations situées à des milliers de kilomètres de distance.
Pourquoi les ondes P peuvent-elles se propager dans les liquides alors que les ondes S ne le peuvent pas ?
Cette question offre l'un des moyens les plus simples de comprendre la différence entre les deux ondes.
Une onde P se propage en comprimant et en dilatant le matériau.
Les liquides sont compressibles et peuvent transmettre des variations de pression.
Par conséquent, les ondes P peuvent se propager dans les liquides.
Une onde S tente de cisailler le matériau latéralement.
Les liquides ne peuvent pas supporter ce type de contrainte de cisaillement.
Par conséquent, l'onde S ne peut pas se propager à travers eux.
Cette simple différence physique a permis aux scientifiques de déterminer que le noyau externe de la Terre est liquide.
Questions fréquemment posées
Quelle onde sismique arrive en premier ?
L'onde P.
Les ondes P se propagent plus rapidement que les ondes S.
Les ondes P sont-elles longitudinales ou transversales ?
Les ondes P sont principalement des ondes de compression longitudinales . Le mouvement des particules est parallèle à la direction de propagation de l'onde.
Les ondes S sont-elles transversales ?
Oui. Dans les ondes S, le mouvement des particules est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde.
Les ondes P peuvent-elles se propager dans l'eau ?
Oui.
Les ondes P peuvent se propager dans les liquides.
Les ondes S peuvent-elles se propager dans l'eau ?
Non.
Les ondes S ne peuvent pas se propager dans les liquides.
Quelle est l'onde sismique la plus rapide ?
L'onde P.
Quelle onde sismique cause le plus de dégâts ?
Les ondes S peuvent produire des mouvements du sol plus importants que les ondes P, mais lors de grands séismes, les ondes de surface peuvent être responsables de certaines des secousses les plus destructrices.
Les ondes P et S sont-elles produites uniquement par les tremblements de terre ?
Non.
Les explosions, l'activité volcanique et certains rejets d'énergie importants d'origine humaine peuvent également générer des ondes sismiques.
Réflexions finales
Au premier abord, les ondes P et S peuvent sembler n'être rien de plus que deux types différents de vibrations créées par un tremblement de terre.
En réalité, elles constituent une partie des fondements de la sismologie moderne.
Les ondes P sont plus rapides et peuvent se propager dans les solides, les liquides et les gaz. Elles déplacent la matière par compression et expansion alternées dans la même direction générale que la propagation des ondes.
Les ondes S sont plus lentes et ne peuvent se propager que dans les solides. Elles déplacent la matière perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde.
La différence de vitesse entre leurs vitesses permet aux scientifiques de déterminer l'emplacement des séismes.
L'arrivée précoce des ondes P offre de précieuses secondes aux systèmes d'alerte précoce aux séismes.
L'incapacité des ondes S à traverser le noyau externe liquide a permis aux scientifiques de comprendre ce qui existe au plus profond de notre planète.
L'être humain n'a jamais atteint le noyau terrestre.
Nous n'en avons jamais rapporté d'échantillon de roche.
Nous savons pourtant que le noyau externe est liquide et le noyau interne solide.
L'une des principales raisons est que nous pouvons écouter les ondes P et S envoyées à travers la planète par de puissants tremblements de terre.
