Les deux méthodes partent du même geste : un ébranlement déclenché en surface.
Elles exploitent deux ondes différentes. La première se réfléchit sur une interface. La seconde
la longe, après s'y être réfractée.
Comment les ondes sismiques émises depuis la surface renseignent-elles sur la
structure du sous-sol ?
Le sous-sol n'est pas accessible à l'observation directe au-delà de quelques
kilomètres. On l'atteint par les ondes sismiques. Une source déclenchée en surface, explosif ou
camion vibreur, envoie des ondes dans le sol. Une ligne de géophones enregistre ce qui revient.
Les ondes se propagent d'autant plus vite que la roche traversée est dense et rigide. À la limite
entre deux roches de vitesses différentes, une onde se réfléchit en partie, et se réfracte en
partie. Deux méthodes en découlent. La sismique réflexion suit les ondes réfléchies. La sismique
réfraction suit les ondes réfractées. Les trois volets qui suivent présentent d'abord le
comportement commun d'une onde à une interface, puis chacune des deux méthodes.
À l'interface entre deux roches
Que devient une onde sismique quand elle atteint la limite entre deux roches
de vitesses différentes ?
Une onde sismique se propage comme un rayon lumineux. On suit donc un rai, c'est-à-dire
la direction le long de laquelle l'onde chemine. Le premier milieu propage les ondes P à la vitesse
V1. Le second les propage plus vite, à la vitesse V2. La figure retient
V1 = 6,0 km/s et V2 = 8,0 km/s. Ce sont les deux valeurs mesurées de part
et d'autre de la limite entre la croûte et le manteau.
Étape 1 sur 4
sourcerai incidentrai réfléchirai réfracté et onde de tête
Le même phénomène en physique-chimie et en mathématiques
En optique, les lois de Snell-Descartes s'écrivent avec les indices :
n1 sin i1 = n2 sin i2. L'indice d'un milieu est le
rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à sa vitesse dans ce milieu. La loi s'écrit donc
aussi bien avec les vitesses. C'est sous cette forme qu'elle s'applique aux ondes sismiques :
sin i / V1 = sin r / V2. Ici, i est l'angle d'incidence et r l'angle de
réfraction. La grandeur appelée
vitesse de propagation en sciences de la vie et de la Terre porte le nom de célérité en
physique-chimie. Le décalage entre deux arrivées y porte le nom de retard : c'est la grandeur que
mesure la sismique réflexion.
La sismique réfraction
Comment le premier temps d'arrivée en chaque point d'un profil donne-t-il la
profondeur d'une interface ?
La sismique réfraction n'exploite qu'une seule mesure par géophone : l'instant où le
sol se met à bouger, c'est-à-dire l'arrivée du premier signal. Le profil doit être long, car
l'onde réfractée n'arrive avant l'onde directe qu'à grande distance du tir. La limite entre la
croûte et le manteau est profonde. La source est donc une forte charge d'explosif, et le profil
s'étend sur plusieurs centaines de kilomètres.
Le dispositif et ce qu'il enregistre
Source
tir unique en surface, à l'origine du profil
Longueur du profil
260 km
Espacement des géophones
20 km
Grandeur mesurée
arrivée du premier signal, en chaque géophone
Grandeurs cherchées
les deux vitesses, puis la profondeur de l'interface
Hypothèses du modèle
deux milieux homogènes, interface plane et horizontale
Étape 1 sur 5
tironde directeonde réfractée
Le calcul, ligne à ligne
Première droite, deux points lus : (0 km ; 0,0 s) et (120 km ; 20,0 s)
V1 = (120 - 0) / (20,0 - 0,0) = 6,0 km/s
Seconde droite, deux points lus : (180 km ; 29,1 s) et (260 km ; 39,1 s)
Croisement des deux droites, lu sur le graphique : xc = 160 km
h = (xc / 2) x racine((V2 - V1) / (V2 + V1))
h = 80 x racine(2,0 / 14,0) = 80 x 0,378 = 30,2 km
La formule de la dernière ligne est admise. Elle se démontre en écrivant le temps
de parcours du trajet réfracté, ce qui dépasse le programme du lycée.
Le sous-sol du profil comporte donc deux milieux. Le premier propage les ondes P à 6,0 km/s, le
second à 8,0 km/s. Ils sont séparés par une interface située à environ 30 km de profondeur. Cette
vitesse de 6 km/s est celle des roches de la croûte continentale. Cette vitesse de 8 km/s est
celle des péridotites du manteau. L'interface est la discontinuité de Mohorovičić, le Moho.
La sismique réflexion
Comment les échos enregistrés en surface donnent-ils une image des couches du
sous-sol ?
La sismique réflexion n'attend pas le premier signal. Elle enregistre tout le signal,
pendant plusieurs secondes après le tir. Chaque interface du sous-sol y renvoie un écho. Le
dispositif est court, car les échos utiles reviennent près du tir. Il est déplacé de proche en
proche le long du profil. La méthode s'applique surtout aux bassins sédimentaires, où les couches
se succèdent en épaisseur et renvoient des échos nombreux.
Le dispositif et ce qu'il enregistre
Source
tir au centre du dispositif, répété le long du profil
Longueur du profil
24 km
Dispositif de géophones
3 km de part et d'autre du tir
Grandeur mesurée
temps aller-retour de chaque écho
Grandeur cherchée
la géométrie des couches
Vitesses admises
2,0 et 3,6 km/s
Étape 1 sur 5
tirécho de la base des marnes et argilesécho du toit du socle
Le calcul, ligne à ligne
Écho de la première interface, au sommet de la courbe : t1 = 1,2 s
Vitesse dans les marnes et argiles : V1 = 2,0 km/s
h1 = V1 x t1 / 2 = 2,0 x 1,2 / 2 = 1,2 km
Écho du toit du socle, au sommet de la courbe : t2 = 2,2 s
Durée du trajet aller-retour dans les calcaires : t2 - t1 = 1,0 s
Épaisseur des calcaires : e = V2 x (t2 - t1) / 2 = 3,6 x 1,0 / 2 = 1,8 km
Profondeur du toit du socle : h2 = h1 + e = 1,2 + 1,8 = 3,0 km
Le temps mesuré est un temps aller-retour : la profondeur vaut donc la moitié du
produit de la vitesse par le temps.
Les deux méthodes comparées
Sismique réfraction
Sismique réflexion
Onde exploitée
l'onde réfractée qui longe l'interface, dite onde de tête
l'onde réfléchie sur chaque interface
Grandeur mesurée
l'arrivée du premier signal
le temps aller-retour de chaque écho
Longueur du dispositif
plusieurs fois la profondeur cherchée
de l'ordre de la profondeur cherchée
Résultat
les vitesses de chaque milieu, et la profondeur des interfaces
une image continue du sous-sol, en temps
Condition d'emploi
la vitesse doit augmenter avec la profondeur
il suffit d'un contraste entre deux couches
Emplois courants
épaisseur d'une couverture meuble, position d'un substratum,
structure profonde de la croûte
exploration pétrolière, hydrogéologie, structure des bassins sédimentaires
Les deux méthodes se complètent. L'image que produit la sismique réflexion est une image en
temps : elle donne la forme des couches, mais pas leur profondeur. Convertir un temps en
profondeur exige de connaître la vitesse de chaque couche. Or c'est précisément ce que mesure la
sismique réfraction. Les campagnes du programme ECORS ont dressé l'image de la croûte française
jusqu'au Moho, en associant les deux méthodes. Le sigle se développe en Étude de la Croûte
continentale et océanique par Réflexion sismique.