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Observer les ondes sismiques du 11 mars avec le GPS

Deux animations permettent de visualiser les déplacement du sol du japon lors des deux séismes du 11 mars 2011 et de voir les ondes sismiques se propager sur tout le territoire japonais. Ces animations ont pu être réalisées grâce aux plus de 1200 recepteurs GPS géodésiques de haute précision sont répartis sur tout le territoire japonais.

Sur cette première animation, l’image de gauche, en bleu indique les déplacements horizontaux du sol tandis que l’image de droite en rouge indique les déplacements verticaux. Chacun des points correspond à un détecteur GPS .

A certains endroits, la côte du japon s’est déplacée de plus de 5 mètres vers l’est. La seconde animation permet de mieux visualiser l’onde sismisque qui se propage et le second séisme. Pour cela,  juste après le premier tremblement de terre, le déplacement moyen a été soustrait, ce qui permet de visualiser le second séisme.

Noter que le déplacement associé à l’onde a une grande composante horizontale. C’est ce mouvement, plutôt que le mouvement vertical qui est particulièrement destructeur.

Ces animations ont été réalisées par Ronni Grapenthin, un doctorant allemand, actuellement en thèse à l’institut de géophysique de l’Université d’Alaska. Les données d’origine sont les mesures des 1200 détecteurs situés au japon, obtenues par l’agence d’information géospatiale du japon), et traités par l’équipe ARIA du JPL et de Caltech qui a déterminé les mouvement de ces détecteurs pendant le tremblement de terre du 11 mars entre 5h30 et 6h30 UTC. Lien vers la page de Ronni Grapethin

Voir la propagation des ondes sismiques

En observant bien l’animation, juste après le premier séisme, on peut voir deux ondes partant de l’épicentre et se propageant vers le sud-ouest. Ces deux ondes sont bien visibles pour les déplacements horizontaux (fleches bleues). La première onde se propage à environ 8,6 km/s, elle est quasiment deux fois plus rapide que la seconde qui se propage à 4,8 km/s. Pourquoi observe-t-on plusieurs ondes ? Pour deux raisons, tout d’abord, la terre est un milieu solide, dans laquelle se propagent divers types de déformation (compression et cisaillement),  et la surface du sol est une surface libre, le long de laquelle se propagent des ondes qui pénètrent peu en profondeur.

Dans un solide, les ondes de compression, de même nature que  les sonores, sont associée à un déplacement du sol aligné avec la direction de propagation. Les  ondes de cisaillement, analogues aux ondes qui se propagent sur une corde lorsque l’on en secoue l’extrémité, sont associées à un déplacement du sol perpendiculaire à la direction de propagation. Ces ondes se propagent à des vitesses différentes : l’onde de cisaillement dans un solide est toujours plus lente qu’une onde sonore. Pourquoi ? Un corps, quel qu’il soit, résiste plus à une compression de son volume, qu’à un cisaillement, qui le déforme en laissant l’espace qu’il occupe globalement inchangé. Dans le sol, une onde de cisaillement se propage typiquement à trois kilomètres par seconde, alors que la vitesse du son y est plutôt de six kilomètres par seconde.

Les ondes de compression (rouge) du même type que les ondes sonores se propagent aussi bien dans le manteau rigide que dans le noyau liquide. Les ondes de cisaillement ne se propagent pas dans le noyau liquide, elles se réfléchissent à l'interface manteau-noyau. (Dessin B. Vacaro)

Un second type d’onde a pour caractéristique de ne pas se propager dans tout le volume de la terre, mais de rester localisé à la surface, à la manière de vagues. Ces ondes sont essentiellement des ondes de cisaillement, dont le mouvement est essentiellement vertical (ondes de Rayleigh) ou horizontal (ondes de Love). Leur vitesse de propagation est du même ordre de grandeur que les ondes internes de cisaillement.

Ondes de Rayleigh se propagent à la surface d'un solide. Les particules de surface ont un mouvement elliptique dans le sens antihoraire

Vagues à la surface de l'eau. Les particules de surface ont un mouvement circulaire dans le sens horaire.

Les ondes de surface s’atténue beaucoup moins vite que les ondes de volume lorsque l’on s’éloigne de la source. Comme ces ondes se propagent en surface uniquement, leur énergie se réparti sur un cercle autour de la source, leur puissance est inversement proportionnelle à la distance. Les ondes qui pénètrent en volume se répartissent dans une demi-sphère, elles décroissent comme l’inverse du carré de la distance.
Etant donné les vitesses de propagation observées sur l’animation, il est fort probable que l’onde la plus rapide soit une onde de compression interne, et que la seconde soit une onde de surface.

Les déplacements du sol mesurés seconde par seconde

Mouvement de la station 0227 Maruyama. Sur une durée de 12 minutes

Les courbes ci dessus proviennent du site web James Johnson, Chris Rocken and Ted Iwabuchi qui ont calculé 7 stations GEONET à un rythme de 1 point par seconde.
Ces données montrent la révolution qui est en cours grâce à toutes les nouvelles techniques d’observation de la terre et notamment le système GPS. Des données très nombreuses ont été accessibles très rapidement, les mesures couvrent des surfaces importantes avec une grande résolution spatiale et temporelle et ont été disponibles et analysées très rapidement.
Pour plus d’informations vous trouverez sur le « GEO Geohazards Supersite » les résultats préliminaires de nombreuses équipes et reposant sur l’utilisation de nombreuses techniques : interférométrie par radar à synthèse d’ouverture, GPS, bouées, …

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