Pourquoi le petit « tac-tac » d'un séisme
arrive-t-il avant le grand tremblement ?
Pendant un séisme, on ressent d'abord un léger « tac-tac », puis, un peu plus tard, un grand tremblement. Cet ordre est presque toujours le même. C'est parce que deux types d'ondes partent en même temps depuis les profondeurs, et que l'une des deux arrive avant l'autre. Et ce décalage de quelques secondes est précisément ce qui rend possible l'alerte précoce aux séismes.
Quand un séisme survient, il est rare qu'il commence directement par une forte secousse. On perçoit d'abord de petites vibrations, un léger cliquetis. Parfois, seule la vaisselle tinte faiblement.
Quelques secondes après avoir pensé « c'est un séisme », arrive une grande secousse. C'est là le vrai moment. C'est généralement elle qui fait tomber les objets des étagères et qui nous fait perdre l'équilibre.
Plus le séisme est lointain, plus l'intervalle entre ces deux phases s'allonge. Si vous sentez un « assez long » intervalle, cela signifie que l'épicentre est loin.
Pourquoi les secousses d'un même séisme nous parviennent-elles en deux temps ?
L'une est une onde de compression, l'autre une onde de cisaillement. Elles partent du même endroit au même instant, mais leur vitesse de propagation diffère.
L'onde de compression, qui arrive en premier, provoque une faible secousse ; l'onde de cisaillement, qui arrive plus tard, provoque une forte secousse. D'où l'ordre « faible puis fort ».
Ce décalage n'est pas dû au hasard : il découle des propriétés physiques du sol lui-même. Voyons cela dans l'ordre.
Pourquoi l'onde de compression est-elle plus rapide ?
Un solide comme le sol peut se déformer de deux façons.
- Se comprimer ou s'étirer ― une déformation qui change le volume
- Se cisailler ― une déformation qui change seulement la forme, latéralement, sans changer le volume
Or, la matière résiste fortement à la compression, mais résiste relativement faiblement au cisaillement. Imaginez une gomme : difficile à écraser, mais facile à tordre sur le côté.
La vitesse d'une onde augmente avec la résistance du matériau et diminue avec sa densité. C'est comme une corde bien tendue, qui produit un son plus aigu (une onde plus rapide).
Donc, l'onde de compression, qui exploite la forte résistance à la compression, est rapide, tandis que l'onde de cisaillement, qui exploite la faible résistance au cisaillement, est lente. L'ordre ne peut jamais s'inverser.
Si l'ordre d'arrivée diffère, c'est à cause de la résistance du sol à la déformation.
Voici où l'histoire devient surprenante. L'onde de cisaillement ne peut pas traverser un liquide. Un liquide n'a pas de « force qui maintient sa forme » : quand on le cisaille, il ne revient pas en place, et l'onde ne peut donc pas s'y propager.
Au début du XXe siècle, en rassemblant les enregistrements des observatoires du monde entier après de grands séismes, des chercheurs ont remarqué quelque chose d'étrange. Dans une certaine zone à l'opposé de l'épicentre, l'onde de cisaillement n'arrivait absolument pas.
Une seule explication est possible : il existe une couche liquide à l'intérieur de la Terre. Une structure jamais observée directement, à plusieurs milliers de kilomètres sous nos pieds, a ainsi été révélée par le seul enregistrement des secousses du sol. C'est grâce à cette observation que nous savons que « le noyau externe de la Terre est liquide ».
Un décalage de quelques secondes rend l'alerte possible
L'alerte précoce aux séismes exploite ce décalage temporel.
La station d'observation la plus proche de l'épicentre capte l'onde de compression, qui arrive en premier, et transmet l'information sous forme de signal électrique. Un signal électrique se propage bien plus vite qu'une onde sismique, si bien que l'alerte peut parvenir avant l'arrivée de la forte secousse.
Cette méthode comporte toutefois des limites inévitables.
- Si l'épicentre est proche, il n'y a pas assez de temps. Pour un séisme survenant juste en dessous, les deux ondes arrivent presque simultanément. Pour un séisme situé juste sous nos pieds, l'alerte peut sonner après le début de la secousse.
- L'estimation de la magnitude, faite dans les premières secondes, peut être révisée. Certains séismes commencent petits puis grandissent, et les premiers instants ne permettent pas toujours de déterminer l'ampleur finale.
- Le délai disponible est, au mieux, de quelques dizaines de secondes. Il faut décider à l'avance de ce que l'on peut faire pendant ce court laps de temps.
- Protégez d'abord votre tête et baissez-vousGlissez-vous sous une table solide et tenez-en les pieds. S'il n'y en a pas, allez dans un endroit où rien ne peut vous tomber dessus, se renverser sur vous ou se déplacer vers vous. Éloignez-vous des vitres, des meubles hauts et des luminaires suspendus.
- Ne vous précipitez pas dehors. Ne courez pas non plus éteindre le feuÀ l'extérieur, la chute d'objets est dangereuse. Coupez le gaz de la cuisinière seulement après que la secousse s'est calmée. Les appareils à gaz actuels s'arrêtent souvent automatiquement dès qu'ils détectent une secousse ; s'en approcher de force est plus risqué.
- Une fois la secousse calmée, vérifiez votre sécurité avant d'agirProtégez vos pieds avec des chaussons ou des chaussures (du verre peut être répandu au sol) et dégagez une sortie. En cas de blessé, appelez le 15 (ou le numéro d'urgence local). Dans les zones exposées à un tsunami, évacuez immédiatement vers un point élevé sans attendre l'alerte.
L'« intervalle » permet de connaître la distance
Comptez le nombre de secondes entre le début du tac-tac et l'arrivée de la forte secousse. En multipliant ce nombre de secondes par environ 8, on obtient approximativement la distance à l'épicentre, en kilomètres.
5 secondes donnent environ 40 km, 10 secondes environ 80 km. C'est une relation très simple, mais elle a été établie au Japon au XIXe siècle, et elle sert encore aujourd'hui de repère.
Inversement, un séisme sans presque aucun intervalle signifie que l'épicentre est très proche. Une secousse brutale et violente dès le premier instant signifie qu'elle s'est produite juste en dessous ou tout près de vous.
Ce qu'on peut vérifier chez soi
- Étirez un long ressort (jouet en spirale) sur le sol et tenez une extrémité
- En poussant l'extrémité que vous tenez rapidement d'avant en arrière, la partie comprimée se déplace le long du ressort. C'est l'onde de compression.
- En agitant l'extrémité du même ressort (ou d'une corde) d'un coup, latéralement, une ondulation latérale se déplace le long. C'est l'onde de cisaillement.
- Comparez la vitesse des deux en rendant le ressort plus ou moins tendu
- Ensuite, agitez latéralement le bord d'un bac rempli d'eau. Vous constaterez que la déformation latérale ne se propage pas telle quelle
Avec le même ressort, on voit que la façon de l'agiter change complètement le mode de propagation. Et dans l'eau, la déformation latérale ne se propage pas — c'est exactement le fait que « l'onde de cisaillement ne traverse pas un liquide », l'indice qui a permis de découvrir que l'intérieur de la Terre est liquide. Le bac de votre cuisine et le noyau de la Terre obéissent à la même logique.
En résumé
Le tac-tac arrive en premier parce que le sol résiste fortement à la compression, mais faiblement au cisaillement. L'onde qui exploite la résistance la plus forte va plus vite et arrive en premier. Ce décalage de quelques secondes rend possible l'alerte précoce aux séismes, et cette même propriété nous a révélé la structure interne de la Terre.
Le premier tac-tac est un avertissement.
Protégez votre tête avant de compter les secondes.
Même après que la forte secousse s'est calmée, le sol lui-même peut s'affaiblir sur des terrains gagnés sur la mer, un phénomène appelé « liquéfaction ». Son mécanisme est expliqué dans l'article sur la liquéfaction. Par ailleurs, la raison pour laquelle de petites secousses continuent pendant plusieurs jours après un grand séisme est traitée dans « Pourquoi les répliques d'un grand séisme durent-elles plusieurs jours ? ».
Pour en savoir plus ― termes, formules et liens avec les manuels scolairesDu collège jusqu'aux sujets de recherche actuels, chaque niveau est clairement indiqué
- Collègeniveau enseigné au collège
- Lycéeniveau des matières « physique-chimie de base » et « sciences de la Terre de base » au lycée
- Lycée+niveau « physique » ou « sciences de la Terre » avancées au lycée, ou contenu traité comme approfondissement dans les manuels
- Universitécontenu non enseigné au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (sismologie, théorie de l'élasticité)
- Recherchesujet non encore établi comme « acquis » même à l'université, actuellement à l'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots du séisme
- Onde P : « onde de compression » dans le texte. P pour Primary (première). C'est une onde longitudinale, vibrant dans le sens de propagation, à l'origine des « micro-secousses initiales ».
- Onde S : « onde de cisaillement » dans le texte. S pour Secondary (deuxième). C'est une onde transversale, vibrant perpendiculairement au sens de propagation, à l'origine de la « secousse principale ».
- Durée des micro-secousses initiales : le temps entre l'arrivée de l'onde P et celle de l'onde S. Aussi appelé temps P-S.
- Intensité et magnitude : l'intensité mesure la force de la secousse en un lieu donné, et varie selon l'endroit. La magnitude mesure l'ampleur du séisme lui-même, une seule valeur pour un même séisme.
- Foyer et épicentre : le foyer est le point souterrain où la roche commence à se rompre ; l'épicentre est le point situé juste au-dessus, en surface.
LycéeVérification par le calcul : compter les petites secousses donne la distance à l'épicentre
Quand un séisme survient, on ressent d'abord de petites vibrations en tac-tac, suivies d'une forte secousse. En comptant simplement le nombre de secondes entre les deux, on peut calculer la distance à l'épicentre.
distance ＝ vitesse × temps
| onde rapide (onde P) | environ 7 km/s |
| onde lente (onde S) | environ 4 km/s |
| nombre de secondes d'écart | durée des petites secousses [s] |
Au même instant, depuis le même point, deux ondes de vitesses différentes partent. Plus la distance est grande, plus l'écart à l'arrivée se creuse. C'est comme un marathon : l'écart entre un coureur rapide et un coureur lent s'accroît avec la distance.
Donc, le nombre de secondes d'écart devient directement une mesure de la distance.
Soit D la distance à l'épicentre et t la durée des petites secousses. Les temps d'arrivée respectifs sont D ÷ 7 et D ÷ 4. Leur différence est t. En réarrangeant, on obtient :
D ＝ t × (7 × 4) ÷ (7 − 4)
| calcul du numérateur | 7 × 4 ＝ 28 |
| calcul du dénominateur | 7 − 4 ＝ 3 |
| division | 28 ÷ 3 ≒ 9,3 |
| en résumé | D ≒ t × 9,3 (km) |
La règle bien connue du « nombre de secondes × 8 » est un ajustement de ce 9,3 à la structure réelle du sous-sol (la vitesse des ondes varie avec la profondeur). Retenir simplement « secondes × 8 à 9 km » suffit.
| petites secousses pendant 3 s | 3 × 8 ＝ 24 km |
| petites secousses pendant 10 s | 10 × 8 ＝ 80 km |
| petites secousses pendant 30 s | 30 × 8 ＝ 240 km |
Un point important ici : un intervalle long ne signifie pas « loin donc tranquille ». Si l'on ressent une secousse malgré la distance, cela signifie que le séisme est d'autant plus important.
Inversement, si la forte secousse arrive sans laisser le temps de compter, l'épicentre est proche. Dans tous les cas, ne comptez qu'après vous être mis à l'abri.
L'alerte fonctionne en détectant l'onde P, arrivée en premier, pour signaler l'onde S à venir. Le temps gagné se calcule avec la même formule qu'au point ②.
| distance à l'épicentre | on prend 100 km |
| arrivée de l'onde P | 100 ÷ 7 ≒ 14 s |
| arrivée de l'onde S | 100 ÷ 4 ＝ 25 s |
| différence | 25 − 14 ＝ 11 s |
11 secondes. Et comme il faut aussi quelques secondes entre la détection et la diffusion de l'alerte, le temps réellement disponible pour agir est encore plus court.
Et plus l'épicentre est proche, plus cet écart se réduit. À 20 km, on a 20 ÷ 7 ≒ 3 s et 20 ÷ 4 ＝ 5 s, soit un écart de seulement 5 − 3 ＝ 2 secondes. Pour un séisme survenant juste sous nos pieds, l'alerte n'a pas le temps d'arriver avant la secousse. Ce n'est pas un problème technique, mais une limite fixée par la vitesse même des ondes.
C'est pourquoi « réfléchir après avoir reçu l'alerte » arrive trop tard. Fixer les meubles, ne rien laisser près du lit qui puisse tomber : ces précautions prises à l'avance sont bien plus efficaces.
La magnitude est une échelle où chaque unité supplémentaire multiplie l'énergie par environ 32. Elle augmente par multiplication, pas par addition.
| différence entre M7 et M8 | 32 fois |
| différence entre M7 et M9 | 32 × 32 ＝ 1024 fois |
« M7 et M9 ne diffèrent pas que de 2 » : c'est environ 1000 fois plus. Comme les chiffres semblent petits, il est difficile de se représenter l'ampleur réelle de l'écart. Connaître le sens de cette échelle change complètement la façon de recevoir la même annonce.
LycéeD'où vient la règle du « secondes × 8 » ?
Soit d la distance à l'épicentre, et Vp, Vs les vitesses des ondes P et S. L'écart des temps d'arrivée s'écrit :
t = d/Vs − d/Vp
En résolvant pour d, on obtient d = t × Vp·Vs/(Vp − Vs). Appliquons des valeurs numériques.
| vitesse de l'onde P | environ 8 km/s |
| vitesse de l'onde S | environ 4 km/s |
| coefficient Vp·Vs/(Vp−Vs) | 8 × 4 ÷ (8 − 4) ＝ 8 |
| si le temps P-S est de 10 s | d ≒ 8 × 10 ＝ 80 km |
※ La vitesse réelle variant selon la structure du sous-sol, ce coefficient se situe généralement entre 6 et 8. À utiliser comme simple repère.
Cette relation est appelée formule d'Omori, du nom d'Ōmori Fusakichi et de ses collègues, qui l'ont étudiée au Japon à l'époque Meiji. Le fait de pouvoir déterminer la distance à l'épicentre avec pour seul outil une horloge en fait encore aujourd'hui un fondement de l'enseignement des sciences de la Terre.
Lycée+Ce qui détermine la vitesse d'une onde
La vitesse d'une onde dans un solide élastique s'exprime approximativement par v = √(module d'élasticité / densité). Plus c'est rigide, plus l'onde va vite ; plus c'est dense, plus elle va lentement.
Or, les deux types d'ondes exploitent une « rigidité » différente.
- Onde P : Vp = √((K + 4μ/3) / ρ) — dépend à la fois de la résistance à la compression K et de la résistance au cisaillement μ
- Onde S : Vs = √(μ / ρ) — ne dépend que de la résistance au cisaillement μ
Le terme sous la racine de l'onde P est toujours plus grand, donc Vp > Vs est garanti mathématiquement. L'ordre ne peut, en principe, jamais s'inverser. Pour une roche typique, le rapport est d'environ 1,7.
Et dans un liquide, μ = 0, donc Vs = 0. L'onde S ne se propage pas. Tout ce qui est dit dans le texte principal découle de cette seule ligne.
UniversitéRadiographier la Terre à partir des enregistrements de secousses
Les ondes sismiques se réfractent et se réfléchissent aux frontières où la matière souterraine change, tout comme la lumière se courbe dans le verre. Cette propriété permet, à partir des temps d'arrivée des ondes enregistrés par des stations du monde entier, de reconstituer par le calcul la structure des vitesses à l'intérieur de la Terre.
Une des premières grandes découvertes a été celle de « l'ombre » des ondes S. Dans les années 1910, on a constaté qu'il existait une zone, entre environ 103° et 143° d'angle par rapport à l'épicentre, où l'onde S n'arrivait absolument pas, ce qui a établi l'existence d'un noyau externe liquide. Cela a été suivi par la découverte du noyau interne (solide) en 1936, par Inge Lehmann.
Aujourd'hui, on utilise la tomographie sismique, qui combine les données de nombreux séismes et stations pour reconstituer une distribution tridimensionnelle des vitesses. Elle est utilisée pour suivre le devenir des plaques subductées ou estimer les courants du manteau, selon le même principe qu'un scanner médical.
RechercheCe qui n'est pas encore résolu
- La prédiction des séismes n'est pas possible. Aucune méthode scientifiquement établie ne permet de déterminer à l'avance « quand, où et avec quelle ampleur » un séisme surviendra. De nombreux pays, dont le Japon, l'étudient depuis longtemps, mais le consensus actuel est qu'aucune prédiction fiable à court terme n'a été atteinte. Partant du principe qu'on ne peut pas prédire les séismes, les efforts se concentrent sur la préparation préalable et l'information immédiate (l'alerte précoce).
- On ne sait pas si le début d'un séisme déterminé sa magnitude finale. Les grands et les petits séismes ont souvent des formes d'onde initiales très similaires. Deux hypothèses s'affrontent sans être tranchées : « le fait qu'un séisme commence petit et grossisse ensuite est dû au hasard », ou « l'ampleur finale est déjà déterminée dès le début ». Cette question est directement liée à la précision de l'alerte précoce : si la seconde hypothèse est vraie, on pourrait estimer plus précisément l'ampleur dès les premiers instants.
- Le sens des phénomènes de glissement lent reste aussi en cours d'étude. Dans les années 2000, on a découvert, aux frontières de plaques, des phénomènes de glissement lent s'étalant sur plusieurs jours à plusieurs mois, accompagnés de faibles vibrations. Leur lien avec les grands séismes intéresse les chercheurs, mais on ne sait pas encore s'ils en sont des signes avant-coureurs.
- La prévision des secousses de grande période est également un problème difficile. Des immeubles de grande hauteur, très éloignés de l'épicentre, peuvent osciller fortement, un phénomène fortement influencé par la structure des couches sédimentaires souterraines. La connaissance de ces structures reste limitée, laissant subsister une incertitude dans les prévisions.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・secousses sismiques et propagation／durée des micro-secousses initiales | Ondes P et S, intensité et magnitude, secondes × 8 |
| Lycée | Physique-chimie de base・ondes (longitudinales et transversales)／sciences de la Terre de base・intérieur de la Terre | Différence entre les deux ondes, dérivation de la formule d'Omori |
| Lycée+ | Physique・élasticité et vitesse des ondes (souvent traité en approfondissement) | v＝√(module d'élasticité/densité), raison pour laquelle l'onde S ne traverse pas les liquides |
| Université | Sismologie・théorie de l'élasticité・géophysique | Ombre de l'onde S, découverte du noyau externe et interne, tomographie |
| Recherche | Sismologie (non résolu) | Limites de la prédiction, croissance de la rupture, glissement lent |
| ― | Éducation à la prévention des risques | Se protéger la tête, ne pas sortir, agir une fois la secousse calmée |
- Explications de l'Agence météorologique du Japon (気象庁) sur les séismes et le fonctionnement et les limites de l'alerte précoce aux séismes.
- Shearer, P. M., Introduction to Seismology (manuel de référence de sismologie).
- Lehmann, I., P', Publications du Bureau Central Séismologique International, 1936 (découverte du noyau interne).
- Obara, K., Nonvolcanic deep tremor associated with subduction in southwest Japan, Science 296, 1679–1681, 2002 (découverte du trémor profond à basse fréquence).
- Documents du Cabinet du Premier ministre japonais (内閣府) et des collectivités locales sur les comportements à adopter et la préparation en cas de séisme.
※ La vitesse des ondes sismiques et les coefficients associés varient selon la structure du sous-sol. Cet article présente des valeurs de référence couramment utilisées.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. En cas de séisme, suivez les consignes de l'Agence météorologique, des services de secours et des collectivités locales, ainsi que les plans de prévention de votre région. Dans les zones exposées à un tsunami, évacuez immédiatement vers un point élevé sans attendre l'alerte. Les valeurs indiquées sont des repères destinés à faciliter la compréhension des mécanismes.