LE MOUVEMENT SÉISMIQUE LA CONSTITUTION INTERNE DU GLOBE

Sommaire: Généralités. — Ondes élastiques longitudinales et transversales de Wertheim. -^ Ondes superficielles semi-élastiques et semi-gravifiques de Lord Rayleigh. — Anciennes expériences directes sur la vitesse de propagation des ondes artificielles. — Théorie de Harboe.— Expériences de Rusakabe et de Nagaoka sur les modules d'élasticité des roches. — Expériences d'Hecker. — Vitesse de propagations du tremblement de terre de Charleston du 31 août 1886. ~ Insuccès de l'emploi des hodographes de von Seebach et de A. Schmidt. — Observations d'Agamennone. — Triangulation séismic^ue de Tokyo par Imamura. — Observations de Cancani. — Séparation des ondes longitudinales, transversales et superficielles par Oldham et Milne. — Recherches de Rudolph, Imamura et Omdri. — Nature et propriétés des diverses ondes séismiques. — Observations de Gôttingen. — Représentation schématique de la propagation des diverses ondes. — Relation réelle entre un séismogramme et la trajectoire d'une^particule terrestre.

L'ancienne hypothèse de la fluidité interne du globe terrestre. -^ Applications de la séismographie à l'étude de l'état interne par Milne, Benndorff et Oldham.

En dehors des applications pratiques, à la recherche des moyens de rendre les constructions moins vulnérables aux tremblements de terre, on peut dire que tous les efforts delaséismologie moderne convergent vers deux buts fondamentaux : les causes géologiques des ébranlements du sol, d'une part; la nature et la modalité du mouvement séismique au sein de la masse terrestre et le long des couches superficielles de son écorce, d'autre part; c'est-à-dire les causes profondes desséismes, et l'essence mécanique du phénomène.

On est peut-être beaucoup plus près de la solution du problème géologique que de celle du problème physique et mécanique qui fait Tobjet de ce chapitre. Cela tient, en partie, aux immenses progrès récents de la géologie qui ont permis de définir sur presque toute la surface terrestre les caractères différentiels des régions stables et instables ; tandis que nous sommes dans une ignorance profonde de la constitution interne de la masse terrestre, qui nous reste tout à fait inaccessible, et au travers de laquelle se propage le mouvement à étudier. On ne sera donc pas surpris des obscurités qui régnent sur ce second point, malgré les travaux des séismologues modernes

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et la sensibilité de leurs appareils. Il faut bien reconnaître, d'ailleurs, que le problème géologique est le plus important, car seul il s'attaque directement à la cause du phénomène et à la recherche des actions tectoniques et orogéniques à rôle séismogénique. C'est là une vérité que la science séismologique officielle se refuse encore à reconnaître, du haut de la tour d'ivoire où elle s'enferme avec ses admirables appareils. Elle doit cependant s'y résoudre, depuis que les travaux des Suess, des Hœrnes et d'autres ont montré que les tremblements de terre sont intimement liés au passé, au présent et au devenir du relief terrestre. Une étude de physique ou de mécanique, même capable de nous renseigner, comme on le verra, sur l'état interne actuel du globe, ne saurait que pâlir devant ces horizons grandioses ouverts sur l'histoire de la planète.

La vitesse de propagation du mouvement séismique en est l'élément mesurable le plus facilement accessible à l'observation, en apparence du moins. C'est donc par là qu'il convient d'aborder le problème de la nature intime des tremblements de terre, et c'est dans cette voie qu'ont été dirigés les efforts les plus grands et les plus fructueux. La méthode historique sera la plus commode et la plus claire pour éliminer au fur et à mesure les notions successivement reconnues comme erronées ou incomplètes, et dues parfois à de fausses interprétations d'observations, enfin pour s'élever graduellement aux faits actuellement acquis par les progrès des instruments séismographiques les plus récents. Du reste, l'étude de la vitesse de propagation ne peut se poursuivre séparément de celle des propriétés du mouvement séismique lui-même, tel qu'il est transmis aux particules de la masse terrestre superficielle et interne, de sorte que les deux aspects de la question doivent être^ examinés ensemble et parallèlement.

On doit à Wertheim * les premières notions précises et rationnelles sur la propagation d'un mouvement dans un corps solide élastique, et ce sont celles qui s'accordent le mieux avec ce que l'observation a fait connaître relativement à la manière dont un tremblement de terre se propage d'un lieu à un autre. Le savant expérimentateur a su distinguer deux coefficients ou modules d'élasticité, correspondant aux deux manières dont les molécules d'un corps peuvent se communiquer de proche en proche et successivement un choc, un ébranlement ou une déformation, généralement quelconques, imprimés par une impulsion étrangère à l'une d'elles, ou

< Sur la propagation du mouvement dans les corps solides et liquides {Ann. Chimie et Phys,, 1851, XXI, p. 19).

pratiquement, à une portion limitée du corps. Il s'agit tout d'abord d'exposer cette conception idéale d'une décomposition de mouvement qui domine tout le sujet, en le débarrassant de tout appareil mathématique.

Considérons dans l'intérieur d'un corps solide une petite cavité, de forme sphérique pour fixer les idées, et supposons qu'on y fasse détoner un explosif; ses parois seront dilatées radialement sur toute sa surface interne et, en raison de l'élasticité de la matière, non seulement cette dilatation sera d'amplitude restreinte, mais la surface, par un mouvement de retour, reviendra à sa position initiale; en vertu du mouvement acquis, elle ne pourra s'y maintenir et la dépassera en dedans, puis y retournera, la redépassera de nouveau vers l'extérieur et ainsi de suite jusqu'à ce que la force vive, mise en jeu par l'explosion, finisse par être épuisée par les résistances intramoléculaires développées à la suite de ces oscillations graduellement décroissantes. C'est là une sorte de mouvement pendulaire de chaque molécule, de part et d'autre de sa position primitive d'équilibre. Mais, en même temps, la couche matérielle immédiatement extérieure à la sphère considérée aura reçu communication du mêmQ mouvement, légèrement atténué, et oscillera ou vibrera semblablement, autour de sa propre position initiale d'équilibre ou de repos. Elle aura aussi transmis son propre mouvement, de même un peu amorti, à la couche suivante, et ainsi de suite, de sorte que Tébranlement dû à l'explosion se propagera de proche en proche à toute l'étendue du solide, en s'amortîssant progressivement à mesure qu'augmente la distance à l'origine de l'ébranlement, parce que la force vive transmise d'une couche sphérique à la suivante est appliquée à un plus grand nombre de molécules et que se développent aussi de nouvelles résistances intramoléculaires. Ce processus constitue ce qu'on appelle des ondes de dilatation et de compression, normales ou longitudinales, en raison de ce que le mouvement élémentaire de chaque molécule par rapport à sa position de repos est normal à la surface sphérique, ou dirige suivant son rayon, c'est-àdire parallèle à la propagation.

11 est peu probable que de part et d'autre de la surface sphérique d'équilibre une particule se meuve sur le rayon ; il a été démontré par l'analyse mathématique qu'elle décrit une petite courbe fermée dont le grand axe est couché sur le rayon. Mais cela n'est pas pour changer le sens général de l'explication du phénomène.

De la même manière, on peut concevoir un phénomène mécanique qui tende à déplacer, ou à tordre sur elle-même, une portion

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limitée de la surface sphérique, sans que les molécules mises en mouvement quittent cette même surface. Ce mouvement se communiquera à toute la couche sphérique et aussi, de proche en proche, aux couches suivantes, par suite, comme précédemment, de la liaison que Tétat solide établit entre les diverses molécules. Mais celles-ci, au lieu d'osciller ou de vibrer perpendiculairement à la surface sphérique, et dans le sens même de la propagation du mouvement, exécuteront les mêmes divagations pendulaires sur cette surface même et perpendiculairement à la propagation. On aura ainsi des ondes de distorsion ou transverses.

Le son correspond à des ondes longitudinales, mais le jet d'une* pierre dans Teau à des ondes transversales. La lumière est produite par le mouvement transversal d'un milieu idéal, Téther, supposé pénétrer tous les corps.

Dans le mouvement transversal aussi, une particule ne se meut point suivant un élément de ligne droite, mais décrit une petite courbe fermée. C'est ce qui se passe pour le mouvement oscillatoire de l'eau agitée par des vagues, et, en général, dans tous les mouvements périodiques auxquels on peut appliquer l'analyse harmonique.

Wertheim a eu le grand mérite de montrer qu'un ébranlement mécanique quelconque produit dans un corps solide élastique donnera lieu à des ondes longitudinales et à des ondes transversales qui se propagent chacune avec des vitesses différentes, celle des premières double de celle des secondes. Ces vitesses s'expriment en fonction de la densité du corps et de deux coefficients ou modules, représentant respectivement la résistance de la matière, dont est constitué le corps, tant aux changements de volume qu'à ceux de forme. Wertheim a mesuré expérimentalement ces deux coefficients pour un grand nombre de corps; mais leurs dimensions restreintes n'avaient pu lui permettre de vérifier le rapport 1/2 de leurs vitesses respectives de propagation. C'est par une intuition de génie qu'il avait prévu la possibilité de cette vérification au moyen des tremblements de terre, ébranlements qui se propagent à la surface et au sein de la terre dont les dimensions considérables, et pratiquement indéfinies, permettront la séparation des deux espèces d'ondes par le fait même de leurs différences de vitesse de propagation. Et, en effet, les observations modernes ont montré dans lès séismogrammes la séparation des diverses ondes dans les phases du mouvement séismique par le fait même de leurs différences de vitesses de propagation, de sorte que les vues de Wertheim sont devenues, comme on va le voir, la base de la séismologie instrumentale.

Wertheim croyait trouver la vérification de sa conception dans ce fait que les relations de tremblements de terre rapportent des mouvements ondulatoires et des mouvements sussultoires et il pensait qu'ainsi la séparation des ondes longitudinales et transversales était effectivement réalisée.

La théorie du physicien français est restée pendant de longues années sans influence aucune sur les recherches postérieures relatives aux tremblements de terre, mais, à peu près à la même époque, il s'en est produit d'autres, indépendamment des siennes. Hopkins*, par une voie toute différente avait cherché à se rendre compte de la nature du mouvement séismique, et Mallet * a introduit la notion des ondes de compression dans une définition dogmatique des séismes. Un tremblement de terre est simplement le passage, verticalement vers le haut et horizontalement dans toutes les directions, au travers de la croûte et de la surface terrestres, d'une ou de plusieurs ondes de compression, émanées d'un ou de plusieurs centres d'impulsion et qui peuvent être accompagnées d'ondes sonores et de vagues marines dépendant de l'impulsion initiale et des circonstances de position relativement à la mer et à la terre ferme. Il avait même cru reconnaître ', malgré l'imperfection des appareils dont il disposait, la séparation des deux espèces d'ondes par suite de leurs différences de vitesses de propagation qu'il trouvait dans le rapport de v/3 à 1, comme le voulait Cauchy, au lieu du rapport de 2 à 1, qu'ad mettait Wertheim. Il est d'ailleurs probable que ni l'un ni l'autre de ces deux rapports n'est exact ; le premier résulte de considérations mathématiques auxquelles la nature ne se plie qu'approximativement, et le second d'observations forcément assez sujettes à erreurs. Mallet considérait comme ondes longitudinales les secousses principales et comme ondes transversales les vibrations postérieures plus faibles par lesquelles se termine un tremblement de terre, distinction que les observations récentes sur les séismogrammes n'ont pas confirmée ; mais c'était déjà là un progrès considérable en séismologie que cette séparation, même erronée.

Un peu après Wertheim, lord Rayleigh * publiait ses recherches

< Report on the geological théories of élévation of eartiiquakes [Brit, Ass, for the adv. of se, 1847, p. 33),

* On observation of earthquake phenomena {Adtniralfy manual ofscientific enquiry. London, 1859).

3 Fourth report upon the facts and theory of earthquake phenomena {Brit. Ass. for t/ie adv, ofsc, 1858, p. 103).

♦ On waves propagated along the plane surface of an elastic solid (Proc. London math, soc, 1855, XL VII, L).

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sur les ondes superficielles élastiques, c'est-à-dire analogues pour la surface d'un solide à celles qui se développent et se propagent dans un liquide, et pour lesquelles l'élasticité joue le même rôle que la gravité pour ces dernières. Il conclut que, vraisemblablement, ces ondes d'une nouvelle espèce prennent une part importante dans le phénomène des tremblements de terre.

Ainsi, à en croire les travaux des physiciens, puisque les deux espèces d'ondes de Wertheim ne sont pas celles de lord Rayleigh, le mouvement séismique serait constitué par la propagation au travers des couches terrestres de trois espèces d'ondes, longitudinales, transversales et superficielles, chacune avec des vitesses différentes. Cette séparation effective n'a pas été admise par tout le monde, et en particulier, Knott * pense que même si, au début, l'ébranlement était purement longitudinal ou transversal, le seul fait de sa propagation au sein des couches terrestres si hétérogènes suffirait à le transformer en chaque point en ondes semi-élastiques, beaucoup plus complexes que les ondes longitudinales et transversales, opinion négative] à laquelle se rallie Dutton *. Mais on va voir que les séismogrammes récents paraissent manifester très clairement non seulement la séparation effective des deux espèces d'ondes de Wertheim, longitudinales et transversales, mais encore l'existence des ondes superficielles semi-élastiques de lord Rayleigh, ainsi que les effets propres à chacune d'elles.

Cette première période des recherches théoriques sur la propagation du mouvement séismique a coïncidé avec les travaux séismologiques basés sur l'application aux tremblements de terre des méthodes modernes d'observation et de mesure qui a rempli le dernier quart du xix° siècle, sous la vigoureuse impulsion deMallet et de ses imitateurs, mais sans que le progrès des appareils séismographiques ait été suffisant pour amener l'accord cherché entre la théorie et l'observation, ce qui est le but à peine entrevu en ces dernières années. Pendant cette période, les propriétés élastiques des corps solides ont été en quelque sorte perdues de vue, et on a cherché à obtenir la vitesse de propagation du mouvement séismique en ayant recours à des tremblements de terre artificiels produits au moyen d'explosions, ou par la chute d'un corps pesant, comme un marteaupilon. Malheureusement, les résultats ainsi obtenus diffèrent dans

1 Earthquakes and earthquake sounds as illustrations of the gênerai theory of elastic vibrations {Trans. seism, soc. of Japan., 1888, XII, p. iiS).

* The Charleston earthquake of August 31** 1886 (Ninlh Ann, Rep, U. S, geol. Survey^ 1888-89, p. 203. Washington). — Earthquakes in the lighi of the new seismology (New York, 1904).

des limites si étendues qu'ils n'ont plus guère qu'un intérêt historique, tellement leur désaccord est considérable. 11 est donc inutile d'entrer dans le détail de l'expérimentation et il suffira de donner, en mètres par seconde, le tableau des principales vitesses ainsi obtenues.