Tremblements et stupeur

Proverbe de géologue: quand le sage montre la Lune, au lieu de regarder son doigt, on devrait aussi jeter un œil sous ses pieds.

À la fin du XIXe siècle, à Berlin, un certain Ernst von Rebeur-Paschwitz s’intéresse aux perturbations gravitationnelles dues au passage des astres dans le ciel. Dans le tout premier billet de ce blog nous avions vu les géomètres français découvrir au Pérou que la gravité exercée par une grosse montagne modifiait la direction du fil à plomb. Peut-on de même mesurer l’infime attraction qu’exercent la Lune, le Soleil — ou même Mars ou Jupiter ?

Pour visualiser ce genre de toutes petites perturbations de la pesanteur, l’astronome allemand a construit des pendules extrêmement précis, dont l’un est installé à l’Observatoire de Potsdam. Le 17 avril 1889, un peu avant 19h (heure locale), celui-ci enregistre un signal puissant et totalement imprévu. S’il n’est pas dû au passage d’un astre, d’où vient-il ?

Von Rebeur-Paschwitz ne comprend pas ce que son instrument a bien pu enregistrer, mais il lit le journal Nature[1]. Le 13 juin, il tombe, après la rubrique nécrologique, sur une brève tirée du Japan Weekly Mail. Celle-ci mentionne un tremblement de terre ayant eu lieu à Tokio (sic), le 18 avril vers 2h du matin (heure locale)… soit à peine plus d’une heure avant l’étrange signal de son pendule. Le 25 juillet, dans une lettre au même journal, l’astronome allemand fait l’hypothèse que ce sont les vibrations causées par ce séisme, à 8 000 km de chez lui, qui ont été repérées par son pendule. Il est très modeste dans sa conclusion: « j’espère que l’un de ces faits pourra être intéressant pour les sismologues »… et pourtant il vient quasiment d’inventer une nouvelle discipline.

Certes, à cette époque, enregistrer les vibrations du sol n’est pas totalement nouveau. Mais jusqu’alors on n’avait pu mesurer que les effets de séismes très proches (en Italie, par exemple). Avec le pendule de Potsdam, on se rend compte que les ondes sismiques peuvent parcourir des distances gigantesques — et pour la première fois, on a une idée de leur vitesse. Pendant les premières années du XXe siècle, les sismographes vont faire de grands progrès, avec notamment les nouveaux appareils très précis conçus par l’Allemand Emil Wiechert. Et en repérant les heures d’arrivée des différentes ondes sur au moins 4 stations sismographiques, on est désormais capable de déterminer l’heure et la position de la source de n’importe quel séisme.

La conquête de l’Ouest

En 1928, le jeune Charles Richter vient de reprendre ses études: il fait une thèse de physique théorique, sous la direction de Robert Millikan[2], dans une toute jeune université: Caltech. Au même moment, Beno Gutenberg, un des élèves de Wiechert à Göttingen, échoue à trouver un poste en Allemagne. Tous deux se retrouvent embauchés dans le flambant neuf « Laboratoire de Sismologie » de Pasadena. Son directeur Harry Wood vient de mettre en place dans toute la Californie un réseau de nouveaux sismographes à torsion, très performants. La petite équipe doit désormais éditer un catalogue de tous les séismes qui secouent la région.

Et si on fait un tel catalogue, il faudrait pouvoir évaluer correctement la violence de chaque séisme. Oh, on a bien des échelles d’intensité, mais elles se basent sur le ressenti des témoins et sur les dégâts occasionnés: or, évidemment, tout cela dépend du séisme mais aussi de la distance à l’épicentre, de la qualité des infrastructures, etc. Nos deux jeunes sismologues vont proposer de mesurer l’amplitude maximale observée sur un sismogramme, en fonction de la distance. Et Richter aimerait bien se ramener à une échelle simple, un peu comme la luminosité des étoiles que les astronomes ont quantifié avec une « magnitude » inspirée des classements des Grecs.

L’échelle des bombes

Comme pour la luminosité, donc, Richter propose une échelle qui varie comme le logarithme de l’amplitude des vibrations, qu’il divise par la distance à l’épicentre. Et il faut calibrer tout ça: disons qu’un séisme de magnitude zéro est celui qui produit des vibrations de 1 mm à 100 km de distance. En 1935, Richter met au point une formule qui s’applique bien aux appareils et aux séismes du sud de la Californie. Gutenberg s’applique à la généraliser pour le reste du monde. Enfin, on peut associer à un séisme un nombre unique quantifiant son énergie ! Et comme les choses sont bien faites, tous les séismes ont une magnitude comprise entre 0 et 10[3]: c’est facile à appréhender.

Leur catalogue amène aussi Gutenberg et Richter à énoncer une loi empirique sur la fréquence des tremblements de terre: on observe 10 fois moins de séismes de magnitude supérieure à m+1 que de séismes de magnitude supérieure à m. Après la seconde guerre mondiale, les observatoires sismologiques se multiplient. Pas toujours dans un but désintéressé: pour les Américains et les Soviétiques, les mesures de l’ampleur des secousses sismiques sont le meilleur moyen d’estimer la puissance des bombes nucléaires que teste le camp d’en face[4]. Mais une fois ces réseaux mis en place, les sismologues peuvent dresser des cartes de plus en plus complètes de la sismicité mondiale[5].

Tout est pour le mieux… Ou presque. Pour commencer, il y a trop de corrections à faire sur la formule (selon l’appareil utilisé, selon la profondeur du séisme, selon la distance, selon la nature des roches, etc). Ensuite, quelle amplitude doit-on mesurer (celle du plus grand pic, celle du premier pic, celle d’une fréquence donnée) ? Et enfin, on se rend compte que pour les gros séismes lointains, l’échelle n’est pas toujours très cohérente (parce que l’atténuation des ondes sismiques à l’intérieur de la Terre n’est pas simple).

Le bon moment

kanamori2À la fin des années 70, les sismologues sont donc prêts à réformer le calcul de la magnitude, sous l’impulsion du Japonais Hiroo Kanamori et de l’Américain Thomas C. Hanks[6]. Ils décident de repartir de zéro.

Un séisme, c’est quoi ? c’est un fragment de croûte terrestre qui casse et se déplace le long d’une faille. Et quand un pan de 500 km² de basalte glisse sur un autre, ça frotte. Ça frotte même beaucoup: un tremblement de terre, c’est donc la libération d’une énorme quantité d’énergie. Et si on estimait directement cette énergie ? Voilà le véritable paramètre physique intrinsèque qu’on devrait quantifier: elle ne dépend ni de l’appareil, ni de la distance, ni de rien d’autre.

Comment faire ? Si on connaît à peu près les propriétés mécaniques des roches, il faudrait encore savoir quelle est la surface du morceau qui a cassé, et sur quelle distance il a bougé. Les sismologues prennent alors le problème à l’envers: par exemple, supposons qu’un morceau de 50 km² ait glissé vers le nord de 10 cm… utilisons un modèle mécanique pour calculer les ondes qui seraient générées par un tel mouvement. Et donc « prédire » quels signaux auraient dû être enregistrés par les sismographes situés à tel ou tel endroit. Ça ne colle pas avec ce qu’ils ont vraiment mesuré ? Alors on modifie l’hypothèse de départ (peut-être 100 km² qui bougent de 15 cm ?). Et ainsi de suite: on continue comme ça jusqu’à ce que ça marche[7]. Pour finalement obtenir ce genre de carte:

Comment grimper à l’échelle

Une fois qu’on a cette carte, obtenue grâce à des centaines de sismogrammes, on peut calculer l’énergie totale libérée par le séisme: c’est ce qu’on appelle le moment sismique. Mais maintenant, comment fait-on le lien avec la magnitude ? Kanamori et Hanks proposent une formule (forcément arbitraire) qui permet, connaissant l’énergie, de retomber sur les mêmes valeurs que l’échelle de Richter: ainsi pas besoin de réécrire 50 ans de littérature sismologique. C’est encore une formule logarithmique: si le moment sismique est W, alors la magnitude (de moment) est

Un séisme de magnitude m+1 libère donc 101,5 = 32 fois plus d’énergie qu’un séisme de magnitude m. Ou encore, un saut de 2 unités en magnitude correspond à un facteur 1000 en énergie. La magnitude reste un nombre facile à manipuler, tandis que le moment sismique est tellement grand qu’il est difficile à appréhender: un séisme de magnitude 8, c’est la croûte qui casse sur 1 000 km de long, 100 km de large, et se déplace de 1 m. Soit une énergie libérée de quelque 1022 J, ou encore 10 000 milliards de tonnes de TNT… Mais le pire, c’est que seule une toute petite fraction de cette énergie (environ 1 cent-millième) est effectivement transportée par les ondes sismiques, qui font pourtant tant de dégâts.

Pour finir, on va comme souvent refermer la boucle: la sismologie a commencé avec un pendule destiné à des mesures gravitationnelles, pour des fins astronomiques. En 2011, le satellite européen GOCE, destiné à faire depuis son orbite des mesures extrêmement fines de la gravité terrestre, a réussi à mesurer, à 270 km d’altitude, les ondes infrasonores émises dans l’atmosphère par le méga-séisme du Tohoku au Japon: la sismologie spatiale est née !


Aller plus loin

  • Depuis Wiechert, les sismomètres ont évidemment bien progressé (et désormais un simple smartphone peut en faire office). Ils mesurent couramment des vibrations micrométriques du sol, et la difficulté est maintenant d’isoler les « vrais » signaux sismiques du bruit ambiant (le trafic routier, le bruit des vagues, les petits éboulements, etc.)
  • Pour les petits séismes, on utilise toujours la méthode de Richter (et on parle alors de magnitude locale). Pour les plus gros, on dispose des enregistrements sur de nombreuses stations sismologiques reliées en réseau. La reconstruction du mouvement à la source, pour calculer le moment et la magnitude, est désormais automatisée et peut être calculée dans les quelques minutes qui suivent le séisme (on trouve ainsi très rapidement toutes les informations sur des catalogues comme celui de l’USGS). Toutefois, différents modèles sont en concurrence et ne donnent pas toujours exactement le même résultat: ainsi d’un institut à l’autre la magnitude d’un séisme donné peut varier de 0,1 ou 0,2.
  • Pour se représenter l’énergie colossale d’un séisme, on prend souvent comme comparaison les bombes atomiques. Ainsi, celle d’Hiroshima a dégagé une énergie qui correspondrait à un séisme de magnitude 5.
    Mais il faut prendre ces analogies avec des pincettes: on a comparé ici l’énergie totale de la bombe à l’énergie totale du séisme. Or, on l’a vu, seulement 1/100 000e de l’énergie du séisme fait effectivement des dégâts. Si on cherche le séisme dont les seules ondes transporteraient autant d’énergie que celles émises par la bombe, on trouverait une magnitude de 7… mais évidemment les vibrations du sol ne sont pas ce qui fait le plus de dégâts après une explosion nucléaire.
  • Bien avant le pendule de Potsdam, il y a eu le sismoscope du Chinois Zhang Heng, que l’on connaît par des écrits datant de la dynastie Han (au IIe siècle après J.-C.). À l’intérieur du vase, un pendule mis en mouvement par les ondes sismiques vient heurter une petite bille qui tombe dans l’une des bouches de grenouille: on connaît alors la direction dans laquelle le séisme a eu lieu.
  • Pour finir, la référence pour découvrir la sismologie: pourquoi la terre tremble, de Pascal Bernard, chez Belin.

[1] L’histoire ne dit pas combien coûtait à l’époque l’abonnement aux revues scientifiques.
[2] Qui vient alors d’obtenir le prix Nobel pour sa mesure de la charge électrique de l’électron.
[3] Certes, l’échelle de Richter (et Gutenberg) est « ouverte » et pas « fermée », mais en pratique l’énergie d’un séisme d’origine tectonique ne peut pas augmenter à l’infini: la taille du fragment qui casse comme la rigidité des roches ont leurs limites.
[4] Et c’est la même méthode qu’on utilise encore aujourd’hui pour avoir une estimation des armes testées par la Corée du Nord.

[5] Et elles s’accordent parfaitement avec la théorie de la tectonique des plaques qui s’impose à la fin des années 60: les séismes sont quasiment tous observés aux frontières entre les plaques.
[6] Non, il n’a pas joué dans Apollo 13. Ni dans Forrest Gump
[7] Jusqu’à ce que ça marche à peu près: on ne fournit jamais une magnitude avec plus d’un chiffre après la virgule, ce qui signifie qu’on estime le moment sismique à un facteur 2 près. D’abord parce qu’on ne sait pas faire mieux, ensuite parce que ce ne serait pas forcément très utile. Ce genre de calcul s’appelle une inversion.

Publicités

2 réflexions sur “Tremblements et stupeur

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s