Géographie
Séismes : ondes P et S, magnitude et 8 exercices corrigés
Un séisme est la libération brutale d'énergie le long d'une faille : il naît à l'hypocentre, sa force est la magnitude. Tableaux et 8 exercices corrigés.
Recommandé pour: 6e · 5e
Un séisme (ou tremblement de terre) est une secousse soudaine du sol provoquée par la rupture de roches en profondeur. Les roches de la croûte sont poussées pendant des siècles par le lent mouvement des plaques et accumulent de l’énergie, comme un ressort que l’on comprime. Quand la contrainte dépasse la résistance de la roche, la faille casse, les deux blocs glissent l’un par rapport à l’autre et l’énergie accumulée est libérée en quelques secondes sous forme d’ondes sismiques.
La question qui organise tout le sujet est : comment décrire un séisme avec des nombres ? Où il est né (hypocentre), quelle est sa force (magnitude), combien il a été ressenti en un lieu (intensité) et à quelle distance il s’est produit (retard entre les ondes).
Les mots à connaître
| Terme | Ce que cela signifie |
|---|---|
| faille | cassure de la croûte le long de laquelle deux blocs de roche glissent |
| hypocentre (foyer) | point profond où la roche se rompt : le séisme naît ici |
| épicentre | point de la surface à la verticale de l’hypocentre |
| ondes sismiques | vibrations qui partent de l’hypocentre et traversent la Terre |
| sismographe | appareil qui enregistre les vibrations du sol |
| sismogramme | graphique tracé par le sismographe |
| essaim sismique | série de nombreuses petites secousses, sans séisme principal net |
| réplique | secousse plus faible qui suit la secousse principale, pendant des jours ou des mois |
Les ondes sismiques : P, S et de surface
| Onde | Mouvement du sol | Vitesse typique | Arrivée | Effet |
|---|---|---|---|---|
| P (primaires) | compression en va-et-vient, comme un ressort | 5-7 km/s dans la croûte | en premier | choc sec, peu destructrices |
| S (secondaires) | oscillation latérale, de haut en bas | 3-4 km/s | après les P | forte secousse, très dommageables |
| Love | oscillation horizontale en surface | moins de 4 km/s | en dernier | très destructrices |
| Rayleigh | mouvement circulaire, comme les vagues | moins de 4 km/s | en dernier | très destructrices |
Les ondes P traversent solides, liquides et gaz ; les S seulement les solides. C’est ainsi qu’on a découvert que le noyau externe de la Terre est liquide : les S ne le traversent pas, comme on le voit dans la structure de la Terre. Le retard entre P et S est aussi l’outil pour localiser un séisme, comme le montre l’exercice 4.
Pourquoi ils se produisent : les plaques
Les séismes ne se répartissent pas au hasard : environ 90 % ont lieu aux limites des plaques, surtout autour de la « ceinture de feu » du Pacifique, là où se trouve aussi la majorité des volcans.
| Limite | Ce qui se passe | Exemple |
|---|---|---|
| convergente | une plaque heurte l’autre ou plonge sous elle : les séismes les plus forts et les plus profonds | Japon, Chili, Antilles |
| divergente | deux plaques s’écartent : séismes faibles et superficiels | dorsale médio-atlantique, rift est-africain |
| transformante | deux plaques coulissent latéralement | faille de San Andreas (Californie) |
Presque tous les séismes sont tectoniques. Il en existe d’autres types, bien plus rares : volcaniques (liés au mouvement du magma), d’effondrement (cavités souterraines qui cèdent) et induits par l’homme (injection de fluides, grands barrages).
La profondeur de l’hypocentre
| Type | Profondeur | Remarques |
|---|---|---|
| superficiel | 0-70 km | environ 3 séismes sur 4, les plus dommageables |
| intermédiaire | 70-300 km | fréquents aux limites convergentes |
| profond | 300-700 km | ressentis sur de larges zones mais avec peu de dégâts |
La profondeur explique pourquoi deux séismes de même magnitude peuvent avoir des effets très différents. L’exercice 7 le chiffre.
Magnitude et intensité : deux échelles différentes
| Magnitude | Intensité | |
|---|---|---|
| ce qu’elle mesure | l’énergie libérée à la source | les effets en un lieu |
| valeurs par séisme | une seule | plusieurs, une par localité |
| comment on l’obtient | sismographe | observation des dégâts et du ressenti |
| échelles | Richter (ML), magnitude de moment (Mw) | Mercalli, EMS-98 |
| valeurs | nombres décimaux (4,9 ; 6,3) | chiffres romains, I-XII |
L’échelle de magnitude est logarithmique : +1 signifie amplitude × 10 et énergie × 31,6. Si tu maîtrises les propriétés des puissances, tu le vois tout de suite : l’énergie croît comme 10^(1,5 M), et les exercices 5 et 6 font les calculs.
| Magnitude | Effets typiques | Combien par an dans le monde |
|---|---|---|
| moins de 3 | presque jamais ressentis | des centaines de milliers |
| 3-3,9 | ressentis par peu de personnes, sans dégâts | environ 130 000 |
| 4-4,9 | objets qui bougent, dégâts rares | environ 13 000 |
| 5-5,9 | dégâts aux bâtiments fragiles | environ 1 300 |
| 6-6,9 | destructeur sur environ 100 km autour | environ 130 |
| 7-7,9 | majeur, dégâts sur de vastes zones | environ 15 |
| 8 et plus | catastrophique, à des centaines de km | environ 1 |
Le plus puissant jamais mesuré est celui du Chili en 1960, de magnitude de moment 9,5.
Les séismes en France
La France métropolitaine se situe à l’intérieur de la plaque eurasiatique : sa sismicité est faible à modérée, avec des régions plus actives, comme les Alpes, les Pyrénées, la Provence et le fossé rhénan (Alsace). Les Antilles, elles, sont en zone de sismicité forte (zone 5) car la plaque atlantique plonge sous la plaque caraïbe. Le territoire est découpé en cinq zones de sismicité, de très faible à forte, et les règles de construction parasismique en dépendent. Les séismes sont recensés par le BCSF-RENASS.
| Séisme | Magnitude | Conséquences |
|---|---|---|
| Lambesc (Provence), 1909 | environ 6,0 | 46 morts, le séisme le plus meurtrier de la France métropolitaine au XXe siècle |
| Les Saintes (Guadeloupe), 2004 | 6,3 | 1 mort et des dégâts importants |
| Le Teil (Ardèche), 2019 | 4,9 (Mw) | séisme très superficiel, environ 1 km, avec des dégâts notables malgré sa faible magnitude |
Le cas du Teil est le plus instructif : une magnitude de 4,9 est modeste, mais avec un foyer à environ 1 km de profondeur la secousse en surface a été violente. L’exercice 7 explique ce paradoxe.
Que faire pendant un séisme
- Pendant la secousse : abrite-toi sous un meuble solide ou près d’un mur porteur, loin des fenêtres, des miroirs et des meubles hauts ; n’utilise pas l’ascenseur.
- Si tu es dehors : éloigne-toi des bâtiments, des cheminées, des lignes électriques et de tout ce qui peut tomber.
- Après : attends des répliques, sors par les escaliers et rejoins un espace dégagé en suivant les consignes des autorités.
Les erreurs les plus fréquentes
- Confondre hypocentre et épicentre. L’hypocentre est sous terre, l’épicentre au-dessus, à la surface.
- Confondre magnitude et intensité. La magnitude est unique pour un séisme, l’intensité l’est pour un lieu.
- Croire que l’échelle est linéaire. Magnitude 8 n’est pas le double de magnitude 4 : c’est 10 000 fois l’amplitude et 1 000 000 de fois l’énergie.
- Dire ‘Richter’ pour tout. Les sismologues utilisent aujourd’hui surtout la magnitude de moment (Mw), plus fiable pour les gros séismes.
- Penser que le séisme naît à l’épicentre. Il naît à l’hypocentre ; l’épicentre n’en est que la projection.
- S’attendre à des prévisions. On calcule des probabilités, pas des dates.
- Croire que les séismes profonds sont les plus dangereux. À magnitude égale, ce sont les superficiels qui secouent le plus la surface.
- Penser qu’il n’y a pas de séismes en France. Il y en a, et les Antilles sont en zone de sismicité forte.
Les huit exercices ci-dessous vont du plus simple au plus difficile et aucun n’utilise la même méthode que le précédent. Les deux premiers fixent le vocabulaire et le calcul avec les ondes P et S, le troisième utilise le théorème de Pythagore pour passer de l’épicentre à l’hypocentre, le quatrième localise un épicentre grâce au retard entre les ondes, le cinquième et le sixième travaillent l’échelle logarithmique et l’énergie, le septième explique pourquoi deux séismes identiques causent des dégâts différents, et le huitième calcule la vitesse d’un tsunami avec la même idée que le mouvement rectiligne uniforme.
Exercices corrigés
1. Associe chaque définition au terme correct : (a) point profond où la roche se rompt ; (b) point de la surface situé à la verticale du premier ; (c) cassure le long de laquelle deux blocs de roche glissent ; (d) appareil qui enregistre les vibrations du sol ; (e) ondes qui arrivent en premier à la station. base
Afficher la solution
- (a) Le point profond où la roche se rompt est l'hypocentre (ou foyer) : c'est là que le séisme naît vraiment.
- (b) Le point de la surface à la verticale de l'hypocentre est l'épicentre, là où l'on ressent généralement le plus.
- (c) La cassure le long de laquelle les blocs glissent est la faille.
- (d) L'appareil qui enregistre les vibrations est le sismographe, et le tracé qu'il dessine est le sismogramme.
- (e) Les premières à arriver sont les ondes P (primaires), les plus rapides.
- Erreur fréquente : l'épicentre n'est pas le point où le séisme 'naît' ; c'est seulement sa projection en surface.
Réponse: (a) hypocentre ; (b) épicentre ; (c) faille ; (d) sismographe ; (e) ondes P.
2. Une station sismique se trouve à 75 km de l'hypocentre. On suppose que les ondes P se propagent à 6 km/s et les ondes S à 3 km/s. Combien de temps met chaque onde pour arriver, et combien de secondes séparent les deux arrivées ? base
Afficher la solution
- J'utilise la relation du mouvement uniforme : temps = distance ÷ vitesse.
- Ondes P : 75 km ÷ 6 km/s = 12,5 s.
- Ondes S : 75 km ÷ 3 km/s = 25 s.
- Écart entre les deux arrivées : 25 s - 12,5 s = 12,5 s.
- Vérification : l'écart doit être positif, car les S sont plus lentes et arrivent après.
Réponse: Les P arrivent au bout de 12,5 s et les S au bout de 25 s : 12,5 s les séparent. C'est précisément ce retard qui permet de calculer la distance du séisme.
3. Un sismographe est à 16 km de l'épicentre, mesurés sur le sol, et l'hypocentre est à 12 km de profondeur. À quelle distance en ligne droite de l'hypocentre se trouve la station ? Combien de temps les ondes P (6 km/s) mettent-elles à arriver, et combien de temps après arrivent les S (3 km/s) ? intermedio
Afficher la solution
- La distance horizontale et la profondeur sont les côtés de l'angle droit d'un triangle rectangle ; la distance en ligne droite est l'hypoténuse.
- J'applique le théorème de Pythagore : d² = 16² + 12² = 256 + 144 = 400.
- d = √400 = 20 km.
- Ondes P : 20 km ÷ 6 km/s = 3,33 s.
- Ondes S : 20 km ÷ 3 km/s = 6,67 s.
- Les S arrivent 6,67 s - 3,33 s = 3,33 s après les P.
Réponse: La station est à 20 km de l'hypocentre (et non à 16). Les P arrivent après environ 3,3 s, et les S 3,3 s plus tard, à 6,7 s. La profondeur compte même quand l'épicentre paraît proche.
4. Un sismogramme montre que les ondes S arrivent 10 secondes après les P. Avec des P à 6 km/s et des S à 3 km/s, à quelle distance se trouve l'hypocentre ? Pourquoi une seule station ne suffit-elle pas à situer l'épicentre ? intermedio
Afficher la solution
- Je note d la distance. Les P mettent d/6 et les S mettent d/3.
- Le retard vaut d/3 - d/6 = d/6.
- Donc d/6 = 10 s, d'où d = 6 × 10 = 60 km.
- Je vérifie : 60 ÷ 3 = 20 s pour les S, 60 ÷ 6 = 10 s pour les P, écart de 10 s. C'est cohérent.
- Une station donne seulement la distance, pas la direction : l'épicentre peut être n'importe où sur un cercle de 60 km de rayon centré sur la station.
- Avec deux stations, les cercles se coupent en deux points ; avec trois, en un seul. C'est la triangulation.
Réponse: 60 km. Il faut au moins trois stations pour que les trois cercles se coupent en un point unique, l'épicentre.
5. Le séisme de Lambesc (Provence) de 1909 avait une magnitude estimée à 6,0 ; celui du Teil (Ardèche) de 2019 avait une magnitude de moment de 4,9. Combien de fois l'amplitude des ondes était-elle plus grande en 1909, et combien de fois l'énergie libérée ? (L'amplitude est multipliée par 10 par unité de magnitude, l'énergie par environ 31,6.) intermedio
Afficher la solution
- Écart de magnitude : 6,0 - 4,9 = 1,1.
- Amplitude : 10^1,1 = 12,6 fois plus grande.
- Énergie : 10^(1,5 × 1,1) = 10^1,65 = 44,7 fois plus grande.
- Je vérifie avec une unité entière : 1 unité donne 31,6 ; 1,1 unité doit donner un peu plus, et 44,7 convient.
Réponse: L'amplitude était environ 12,6 fois plus grande et l'énergie environ 45 fois plus grande. Une petite différence de magnitude (1,1) suffit à multiplier l'énergie par plus de quarante.
6. Utilise la formule log E = 4,8 + 1,5 M (E en joules) pour calculer l'énergie du séisme du Teil (M = 4,9). Convertis-la ensuite en tonnes de TNT, sachant que 1 t de TNT libère 4,184 × 10^9 J. intermedio
Afficher la solution
- Je remplace M = 4,9 : log E = 4,8 + 1,5 × 4,9 = 4,8 + 7,35 = 12,15.
- Donc E = 10^12,15 = 1,4 × 10^12 J (car 10^0,15 = 1,4).
- Je convertis : 1,4 × 10^12 ÷ 4,184 × 10^9 = environ 338 t de TNT.
- Autrement dit, environ 338 000 kg de TNT libérés en quelques secondes.
- Le séisme n'est pas puissant à l'échelle mondiale, mais son foyer était très superficiel, ce qui explique les dégâts.
Réponse: Environ 1,4 × 10^12 J, soit à peu près 338 tonnes de TNT. Une énergie modeste, mais libérée tout près de la surface.
7. Deux séismes ont la même magnitude et le même épicentre. Le premier a son hypocentre à 2 km de profondeur, le second à 40 km. Un village se trouve à 8 km de l'épicentre. Compare les distances aux hypocentres et dis lequel secoue le plus le village, en supposant que la secousse est inversement proportionnelle à la distance. avanzato
Afficher la solution
- Premier séisme : d1 = √(8² + 2²) = √(64 + 4) = √68 = 8,25 km.
- Second séisme : d2 = √(8² + 40²) = √(64 + 1 600) = √1 664 = 40,8 km.
- Rapport : 40,8 ÷ 8,25 = 4,9.
- Si la secousse est proportionnelle à 1/d, le premier secoue le village environ 5 fois plus fort.
- C'est une simplification (les ondes s'atténuent aussi par absorption), mais elle montre l'essentiel : même magnitude ne veut pas dire mêmes dégâts.
- D'où les deux échelles : la magnitude mesure le séisme (un seul nombre), l'intensité mesure les effets en chaque lieu (elle change d'un village à l'autre). Au Teil, le foyer n'était qu'à environ 1 km de profondeur.
Réponse: Le plus superficiel, environ 5 fois plus fort au village. La magnitude est unique pour un séisme ; l'intensité dépend de la distance et de la profondeur, ce qui explique que les séismes très profonds causent peu de dégâts.
8. Un séisme sous la Méditerranée, là où la mer atteint 3 000 m de profondeur, déclenche un tsunami. Sa vitesse est v = √(g h) avec g = 9,8 m/s². Calcule v en m/s et en km/h, le temps pour atteindre une côte à 900 km, puis la vitesse près du rivage sur un plateau de 30 m de profondeur. avanzato
Afficher la solution
- En pleine mer : v = √(9,8 × 3 000) = √29 400 = 171,5 m/s.
- En km/h : 171,5 × 3,6 = 617 km/h.
- Temps pour 900 km = 900 000 m : 900 000 ÷ 171,5 = 5 248 s, soit 87,5 minutes, environ 1 h 27 min.
- Sur 30 m de profondeur : v = √(9,8 × 30) = √294 = 17,1 m/s = 62 km/h.
- Rapport des vitesses : 171,5 ÷ 17,1 = 10. La profondeur a été divisée par 100, la vitesse seulement par 10 (racine carrée).
- La vague ralentit mais son énergie ne disparaît pas : l'eau s'accumule et la hauteur de la vague augmente. C'est pourquoi un tsunami est presque invisible au large et destructeur sur la côte.
Réponse: 171,5 m/s (617 km/h) en pleine mer, avec une arrivée à la côte en environ 1 h 27 min ; près du rivage 17,1 m/s (62 km/h). Rapide comme un avion au large, il ralentit et se soulève près de la côte.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre l'hypocentre et l'épicentre ?
L'hypocentre (ou foyer) est le point sous terre où la roche se rompt et où le séisme commence ; l'épicentre est le point de la surface situé juste à sa verticale. C'est à l'épicentre que les dégâts sont généralement les plus importants, mais le séisme naît à l'hypocentre. Plus le foyer est superficiel, plus le séisme est destructeur.
Quelle est la différence entre la magnitude et l'intensité d'un séisme ?
La magnitude mesure l'énergie libérée à la source et c'est un seul nombre par séisme (échelle de Richter ou, aujourd'hui, magnitude de moment Mw). L'intensité mesure les effets observés en un lieu, avec des échelles comme l'échelle de Mercalli ou l'EMS-98 (de I à XII), et change d'un endroit à l'autre selon la distance, la profondeur et le type de bâtiments. Un séisme a une seule magnitude mais plusieurs intensités.
Comment calcule-t-on la distance de l'épicentre ?
On mesure sur le sismogramme le retard entre l'arrivée des ondes P et celle des ondes S : plus la station est loin, plus le retard est grand. Avec des vitesses typiques de 6 et 3 km/s, la distance vaut environ 6 fois le retard en secondes. Une station donne un cercle d'épicentres possibles ; avec trois stations, les cercles se coupent en un point (triangulation).
Un séisme de magnitude 7 est combien de fois plus fort qu'un séisme de magnitude 6 ?
L'amplitude des ondes est 10 fois plus grande et l'énergie libérée environ 31,6 fois plus grande. L'échelle est logarithmique : un séisme de magnitude 8 libère environ 1 000 fois l'énergie d'un séisme de magnitude 6, car 31,6 × 31,6 = 1 000.
Y a-t-il des séismes en France ?
Oui. La sismicité de la France métropolitaine est faible à modérée, avec des zones plus actives dans les Alpes, les Pyrénées, la Provence et le fossé rhénan. Les Antilles, au contraire, sont en zone de sismicité forte (zone 5) à cause de la subduction. Le zonage sismique du territoire compte cinq zones depuis 2011 et les règles de construction parasismique s'appliquent selon la zone. Les séismes sont recensés par le BCSF-RENASS.