Ce bruit sismique qui sonde la Terre

Article paru dans le magazine Pour la Science en novembre 2011 (n° 409), rédigé par Michel Campillo, sismologue à ISTerre.

L’analyse mathématique du simple bruit sismique améliore la cartographie des structures géologiques souterraines et permet, pour la première fois, d’étudier l’évolution de ces structures au cours du temps.

Une « lumière » éclaire l’intérieur de la Terre : les ondes sismiques. Les sismologues savent mettre en images la structure du monde souterrain à partir de ces vibrations qui se propagent dans les profondeurs du sol. Ils exploitent pour cela les ondes émises par les tremblements de terre ou des sources artificielles comme des explosions. Toutefois, cette imagerie sismique active ne se pratique que dans certaines zones, ou seulement à petite échelle et à certains moments.

C’est pourquoi les géophysiciens cherchent à utiliser aussi le « bruit » sismique qui agite faiblement, mais sans cesse, l’intérieur de la Terre. Il provient pour l’essentiel des microséismes dus aux interactions des mers avec la croûte terrestre (voir la figure 1). Judicieusement exploités, des enregistrements assez longs de ce bruit révèlent la structure souterraine. Après avoir expliqué comment, nous présenterons quelques-unes des premières applications géologiques de cette méthode, notamment la recherche de signes avant-coureurs des séismes et des éruptions.

Les ondes sismiques sont un cas particulier d’ondes élastiques au sein des solides (voir la figure 2). Il en existe deux principaux types : les ondes P qui sont des ondes de compression, et les ondes S qui sont des ondes de cisaillement (la vibration est transversale à la propagation). Ces ondes dites de volume se combinent pour donner en surface des ondes, qui peuvent être soit des ondes de Love ou L (des ondes S guidées dans les couches superficielles) ou des ondes de Rayleigh ou R (dont les caractéristiques évoquent celles des vagues sur la mer).

Les ondes sismiques ont d’abord été utilisées pour faire de l’imagerie sismique active. Comparables à celles de l’imagerie médicale, les méthodes pour ce faire se fondent sur la mesure des temps de parcours d’ondes dans le terrain étudié. Ainsi, on parle de tomographie sismique lorsqu’on utilise des ondes ayant traversé un volume souterrain pour reconstruire et cartographier les zones de propagation à forte ou à faible vitesse.

L’imagerie active a ses limites
Pour sa part, la « sismique réflexion » est le pendant de l’échographie : on y exploite les échos dus aux interfaces des couches géologiques pour reconstruire précisément leurs formes. On doit à ces méthodes la découverte de la structure de la Terre en couches concentriques, puis celle des variations latérales de vitesses de propagation au sein de ces couches, qui trahissent les mouvements de convection à l’origine de la tectonique des plaques.

À plus petite échelle, les ondes sismiques sont aussi au service de la prospection d’hydrocarbures. La mise en évidence de lits de rivières ayant coulé il y a plusieurs dizaines de millions d’années, ou encore celle de cratères d’impacts enterrés sous plusieurs kilomètres de sédiments marins, est un spectaculaire sous-produit de la sismique réflexion pétrolière. Ces prouesses ne sont pas sans prix ni peines : il faut mettre en œuvre des centaines, voire des milliers, de sources et de capteurs. Seuls des objectifs économiques rendent possibles pareilles explorations, et tant leurs résultats que leurs retombées se limitent donc à des cibles particulières. Il est en outre difficile de les répéter, de sorte qu’elles ne permettent d’étudier l’évolution du sous-sol dans le temps qu’à grands coûts.

À ces limitations pratiques de l’imagerie sismique active s’ajoutent celles qui pèsent sur le recueil des données associées aux séismes. Les mesures utiles à l’étude de la structure profonde de la planète sont les enregistrements des séismes de magnitude 5 ou plus. La compilation des temps d’arrivée des ondes a produit des modèles moyens des régions géologiques du globe, qui ont ensuite été précisés. Ce travail de précision a été rendu possible par le développement des réseaux de stations sismologiques, mais souffre de limites indépassables : rareté des mesures sur l’océan, qui couvre pourtant la plus grande partie du globe, limitations imposées sur le déroulement du travail à terre par les guerres et les conflits intérieurs, etc.

Ces limites liées à l’homme pourront sans doute être dépassées un jour, mais il existe un obstacle géologique infranchissable : les séismes ne sont pas répartis partout, mais sont concentrés sur quelques grandes failles et dans les zones de subduction, ces régions...

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