CARACTÈRE PÉRIODIQUE

Malgré la très grande complication que présente le mouvement sismique dès que le phénomène atteint une certaine intensité, il n'est pas d'habitant des pays instables qui ne sache très nettement distinguer des mouvements ondulatoires ou oscillatoires horizontaux et plus ou moins amples et rapides, et des mouvements vibratoires, sussultoires ou trépidatoires, généralement plus brusques, en tout cas verticaux, le mot trépidatoire étant celui qui rend le mieux l'impression du sens musculaire, au moyen duquel se perçoivent les ébranlements du sol. Ces deux sortes de mouvements peuvent être exclusifs l'un de l'autre pour

SISMOLOGIE MODERNE *

un même tremblement de terre, mais aussi se manifester alternativement pendant la brève durée d'un même séisme.

Tantôt le tremblement de terre éclate brusquement avec toute sa violence, puis s'évanouit rapidement, tantôt il présente une série d'alternatives, d'exacerbations et de rémissions, et le plus souvent s'éteint lentement. Le mouvement vertical paraît prédominer dans le premier cas, l'horizontal dans le second. Il semble que le phénomène vient d'une certaine direction et s'éloigne vers celle diamétralement opposée. Acquiert-il une grande intensité, le spectacle change, sa complication atteint un degré qui défie toute analyse, l'observateur se sent agité, balancé, poussé, tiré dans tous les sens à la fois et ses impressions diverses se succèdent avec tant de rapidité et de confusion qu'il se croit le jouet d'un mouvement giratoire, tandis que disparaît toute sensation de direction définie. L'expérience presque journalière des pays à tremblements de terre a vite prouvé aux personnes tant soit peu cultivées et habituées à réfléchir que de lentes et longues ondulations sont le propre d'un tremblement de terre plus ou moins violent survenu très loin de l'observateur, tandis que de courtes et rapides oscillations, et surtout des trépidations, caractérisent un ébranlement terrestre à foyer très rapproché, sinon situé sous ses pieds mêmes, le mélange des unes et des autres correspondant à un

séisme qui est né à moyenne distance, ni très près, ni très loin.

Ainsi au-dessus ou au voisinage immédiat d'un foyer sismique qui vient d'entrer en action, les trépidations caractérisent le tremblement de terre, et à mesure que l'observateur s'en trouve plus éloigné, les ondulations apparaissent et finissent par masquer les trépidations qui s'évanouissent; puis, à plus grande distance encore, les ondulations devenant de plus en plus lentes et douces se réduisent à un long balancement qui peut aller jusqu'à donner le mal de mer, ou causer quelque malaise analogue, lorsqu'il s'agit d'un violent tremblement de terre.

Dans tous les cas, il est un caractère commun à toutes ces modalités diverses et changeantes : le retour plus ou moins répété de sensations semblables, sinon égales en intensité et en rapidité; en un mot le mouvement sismique est essentiellement périodique en entendant ce mot dans sa plus large acception, c'est-à-dire que les mouvements successifs de va-et-vient qui le constituent ne sont pas forcément séparés par des intervalles de temps égaux, ni ne sont d'amplitude constante, ces caractères d'uniformité correspondant à un mouvement régulier et susceptible d'être figuré au moyen de la courbe bien connue appelée sinusoïde. Telle est l'impression que donnent les sens au moment d'un tremblement de terre, chaque fois que l'observa-

teur garde le sang-froid nécessaire pour analyser ses propres sensations et que le phénomène est assez léger pour que ses mouvements n'atteignent pas le degré de violence et de confusion ne laissant plus de place qu'à la terreur et à la recherche instinctive des moyens de salut,

Cette manière d'être du mouvement sismique a été de tout temps reconnue sinon exprimée sous forme scientifique et, résultant de la pure observation, elle entraîne pour l'étude des tremblements de terre l'emploi des méthodes générales relatives aux mouvements périodiques tels que le son, la lumière, les oscillations pendulaires, les marées, etc. L'on y usera donc de la même terminologie.

Mais il ne s'agit plus ici d'un mouvement périodique parfait dans lequel un point géométrique, ou mieux une particule matérielle, repasse à son point initial d'équilibre ou de repos à des intervalles de temps constants et après s'en être éloignée de part et d'autre à des distances égales et avec la même vitesse, qui s'annule pour changer de sens à l'extrémité de chacun de ses déplacements. Dans le tremblement de terre tout varie simultanément, et dans ses écarts successifs le point mobile, ici une particule terrestre, ne repasse pas exactement à sa position primitive; il ne la réoccupe qu'en revenant finalement à l'état de complet repos; à chaque nouvelle impulsion, il s'élance dans une

direction plus ou moins différente de la précédente, s'éloigne plus ou moins loin et plus ou moins vite. En d'autres termes, le caractère de périodicité s'allie à une variation continue de tous les éléments du mouvement.

Ainsi s'explique comment la Sismologie rationnelle est tard venue, puisque ses progrès ont dû s'appuyer préalablement sur la connaissance récente encore de mouvements analogues, mais relativement plus simples, le son et la lumière par exemple.

Ce qui caractérise tout d'abord un mouvement d'allure périodique, c'est la direction des déplacements d'une particule par rapport à la ligne, supposée rectiligne, qu'a suivie l'impulsion primitive pour atteindre cette même particule et lui communiquer le mouvement dont il s'agit. Ce sera ici le rayon sismique, l'analogue du rayon optique ; il joint la particule terrestre, ou plus généralement l'observateur, au foyer du tremblement de terre. Le mouvement se produit-il dans le sens de cette ligne, il est dit longitudinal; s'effectue-t-il perpendiculairement au rayon sismique, ou dans une direction plus ou moins oblique par rapport à lui, il est appelé transversal, ou de distorsion. Le son est longitudinal et la lumière est transversale de même que les oscillations pendulaires ou les vagues de la mer ; dans une verge, une plaque ou une corde vibrantes, on a simultanément des

mouvements longitudinaux et transversaux, et ce cas plus complexe est aussi celui du mouvement sismique.

Les définitions et les considérations qui vont suivre et nous serviront constamment ont été créées pour un mouvement périodique parfait ou à éléments uniformes, c'est-à-dire susceptible d'être représenté comme on Ta dit par une sinusoïde. Il suffira d'en élargir le sens, c'est-à-dire de n'en parler que pour un instant déterminé et seulement pour une oscillation distincte de la particule terrestre de part et d'autre de sa position initiale de repos.

L'amplitude est la distance dont la particule s'éloigne de sa position d'équilibre, mais le plus souvent on considère la double amplitude, c'està-dire la somme des distances parcourues de part et d'autre. La période est le temps employé par la même particule pour revenir à son point dé départ avec une vitesse de sens contraire à celle avec laquelle elle s'en est éloignée, et le plus souvent aussi on considère la double période et alors la particule repasse à son point de départ avec une vitesse de même sens et après avoir ainsi subi deux points morts ou de vitesse nulle, ceux où, après s'être éloignée au maximum, elle retourne en arrière vers le point d'équilibre initial. Les choses se continuent de la sorte, jusqu'à extinction . complète du mouvement, avec des vicissitudes

diverses d'accroissement et de décaissement des deux éléments, amplitude et période, que le mouvement soit longitudinal ou transversal.

Il n'est pas concevable qu'une particule puisse posséder simultanément un mouvement longitudinal et un autre transversal, et dire qu'ils coexistent, comme c'est le cas du mouvement sismique, cela signifie qu'à chaque instant la particule obéit à une impulsion de chaque espèce, l'une et l'autre se composant pour lui faire décrire autour de sa position d'équilibre une trajectoire complexe, de forme constamment variable et plus ou moins analogue aux célèbres figures de Lissajous.

L'amplitude et la période combinées nous permettent de nous faire une idée au moins grossière de l'intensité d'un tremblement de terre, étant évident que deux séismes peuvent exercer les mêmes effets destructeurs, l'un de faible amplitude et de rapide période, l'autre de grande amplitude mais de lente période, ce que d'ailleurs vérifie l'expérience. Si, d'autre part, dans les descriptions courantes ou sans prétentions scientifiques des tremblements de terre, les mots vibrations, ondulations, oscillations, trépidations, balancements, reviennent à chaque instant sans plus de précision, il convient en sismologie de se débarrasser de ce vague; aussi a-t-on pris l'habitude de réserver le nom d'ondulations et d'oscillations aux mouvements de période relativement lente et d'appliquer celui de

trépidations et de vibrations à ceux de période plus rapide, la limite entre les unes et les autres restant provisoirement indéterminée. Les premières correspondent le plus souvent du moins aux mouvements horizontaux et les secondes aux mouvements verticaux.

Jusqu'ici on n'a fait que mettre d'accord la conception physicomécanique d'un mouvement périodique quelconque avec l'observation séculaire des sens d'après laquelle le tremblement de terre appartient sans hésitation possible à ce genre d'ébranlement, et si Ton a dépassé le strict champ de l'expérience, ce fut seulement en affirmant que le mouvement sismique est à la fois longitudinal et transversal. A première vue, il semble bien qu'on ne fait là aucune hypothèse, et, en effet, le mouvement ondulatoire ou horizontal d'un tremblement de terre paraît aussi clairement transversal que paraît longitudinale l'impulsion trépidatoire ou verticale du même phénomène. On verra cependant plus loin que c'est là une interprétation fausse des faits, parce que trop simple, et qu'éléments longitudinaux et transversaux du mouve ment sismique correspondent à toute autre chose; mais il faudra le secours des appareils pour apprécier sainement les résultats de l'observation. En fait un tremblement de terre se compose de diverses espèces de mouvements, et ce que nos sens en perçoivent est seulement transversal, tout

comme les vagues de la mer, auxquelles d'ailleurs on a souvent comparé les séismes avec une sûreté d'observation que la science sismologique a été longue à ratifier.

En optique et en acoustique, on est habitué à parler d'ondes lumineuses et sonores, et il nous faut maintenant étendre cette notion au mouvement sismique.

Nous ne savons rien encore de ce qu'est en réalité l'ébranlement initial qui se traduit sous la forme du tremblement de terre, mais pour simplifier le raisonnement, nous nous référerons à une particule terrestre mise en mouvement, peu importe comment; elle représentera le centre ou le foyer du phénomène, son hypocentre comme on dit, parce qu'il est plus ou moins profondément situé au-dessous de la surface terrestre. Mais on a tout de suite l'intuition qu'il s'agit là d'une hypothèse de simplification et que sans doute c'est une portion plus ou moins grande de la masse qui est mise en mouvement tout d'un coup et en bloc, comme nous le montrera plus tard l'observation. Conservant provisoirement cette fiction commode du point géométrique, nous voyons clairement qu'une particule terrestre quelconque, — et il en serait de même pour une portion limitée de sa masse, — ne saurait se mettre en mouvement sans communiquer son impulsion aux particules immédiatement voisines, puis celles-ci à leur tour

et de proche en proche à leurs propres voisines. À chaque instant l'ébranlement est donc transmis à des particules de plus en plus éloignées du foyer, particules qui deviennent ainsi successivement le centre d'un nouvel ébranlement, et ainsi de suite jusqu'à complète extinction de la force vive ou de l'énergie transportée et propagée au loin dans la masse du corps tout autour du foyer, mais qui doit forcément finir par disparaître épuisée en s'appliquant à un nombre de plus en plus grand de particules, c'est-à dire à une masse croissante. L'énergie de l'ébranlement décroîtra en raison inverse du carré de la distance au foyer; c'est là une loi générale de mécanique qui trouve ici une évidente application.

A un instant déterminé, les dernières particules terrestres mises en mouvement limitent une surface fermée enveloppant le foyer; c'est la surface d'onde sismique ou plus simplement l'onde sismique. Chacun des points de l'onde sismique devient un foyer d'ébranlement et donne lieu à de nouvelles ondes élémentaires, dont l'enveloppe sera, à un autre instant postérieur à celui considéré, une nouvelle onde sismique et ainsi de suite. En d'autres termes le principe d'Huyghens est applicable en sismologie, tout comme en optique.

Si le tremblement de terre naissait en un point géométrique et si, de plus, la masse terrestre était isotrope, c'est-à-dire douée de propriétés phy-

CARACTÈRE DU MOUVEMENT SISM1QUE il

siques identiques tout autour du foyer, quelle que soit la direction choisie, les ondes sismiques seraient des sphères concentriques. Cette double hypothèse a été employée jadis pour étudier la propagation du mouvement sismique à la surface de la terre, mais cette méthode n'a rien donné même de grossièrement approché par rapport aux résultats de l'observation, tant on s'éloignait ainsi des circonstances réelles. Quoi de plus hétérogène, en effet, que la masse terrestre, du moins dans la mince pellicule externe que nous en connaissons; on le voit bien à l'infinie diversité des roches de la surface et à leur disposition relative si compliquée en strates de toutes natures, directions et épaisseurs, ou en masses non stratifiées tout aussi diverses. La propagation du mouvement sismique de proche en proche dépendant directement en chaque point des propriétés physiques, densité, élasticité, composition moléculaire, etc., il en résulte que l'onde sismique sera elle-même une surface très compliquée, le foyer fût -il un point, ce qui n'est pas en général, d'où nouvelle cause de complication quant à sa forme. On ne s'étonnera donc point de ce que l'analyse mathématique soit à peu près impuissante à calculer l'onde sismique et, en tout cas, il faut faire des hypothèses plus ou moins plausibles, de toute façon invérifiables, sur la variation des propriétés physiques des couches terrestres en profondeur.

Les ondes sismiques successives viennent couper la surface terrestre en des temps successifs aussi, et de là natt cette très nette sensation que le tremblement de terre consiste en un mouvement ondulatoire ou vibratoire qui, après avoir atteint l'observateur en passant pour ainsi dire sous ses pieds, va s'éloignant de l'origine apparente du phénomène dans une certaine direction; c'est celle que Ton attribue au tremblement de terre.

Pour interpréter le fait, il suffit de se reporter au cas d'un nageur à la surface de la mer, mais loin de la côte. S'il se contente de se soutenir à la surface, il ne changera pas de distance par rapport à un point fixe; simple flotteur, il montera et descendra alternativement avec les vagues qui lui paraissent cependant venir rapidement d'une certaine direction, le dépasser, puis s'éloigner tout aussi rapidement dans la direction opposée. Mais, en dépit des apparences, ce qui marche, ce n'est point la masse liquide, ainsi qu'il lui semble, c'est seulement la forme ondulée de sa surface, sinon le nageur ou le flotteur serait entraîné horizontalement avec les vagues. Sans avancer avec elles chaque particule liquide décrit autour de sa position d'équilibre une petite ellipse située dans un plan vertical perpendiculaire à la ligne de crête ou de creux des vagues. Le fait est bien connu et il en est exactement de même pour les tremblements de terre, phénomène dans lequel il n'y a

pas davantage de transport ou de déplacement d'ensemble ou de masse, mais seulement un transport successif d'un mouvement périodique d'un point à un autre de la surface terrestre. De même que les ondes ou vagues liquides sont concentriques autour du point de chute d'une pierre lancée à la surface tranquille d'un lac, de même les ondes sismiques s'irradient dans toutes les directions autour du centre d'ébranlement. Notre point d'appui sur le sol nous fait participer à ce transport et dès lors, outre la notion de direction, s'en introduit une nouvelle, celle de la vitesse de propagation du tremblement de terre, vitesse que, dans chaque cas particulier, nos sens nous permettent seulement d'apprécier, tout en restant incapables de la mesurer. L'observation directe nous conduit ainsi à assimiler le mouvement sismique à un autre mouvement bien connu, celui des ondes liquides.

Chaque particule terrestre décrit autour de sa position initiale d'équilibre une trajectoire beaucoup plus compliquée que celle de la particule liquide de tout à l'heure et seuls les appareils nous permettront de la déterminer, comme on le verra plus tard. Quant à la phase du mouvement sismique à un moment donné, ce mot s'entend de la position à ce moment de la particule terrestre par rapport à son point d'équilibre, en même temps que du sens et de la grandeur de sa vitesse. Au

même instant deux particules terrestres seront ou ne seront pas à la même phase, circonstance qui sera à considérer pour l'étude de la rupture d'une muraille ou du crevassement da sol.

Le mouvement sismique, tel que nous le perce-

Fig. 1. — Modèle d'une j terresiro lors du trembla [d'après S ci ko i Seikiya}.

vons sous forme de tremblement de terre, ainsi ramené à un mouvement essentiellement périodique, il est encore un autre mouvement périodique très différent, qui accompagne exclusivement les secousses désastreuses. Ce sont, dans de certaines circonstances de terrains, les ondes visibles, appelées scientifiquement gravifiques et dont il nous faut parler ici pour épuiser ce que les sens seuls nous apprennent sans l'aide d'aucun

appareil sur la nature du mouvement sismique. Dans un très grand nombre de relations de catastrophes, on rapporte avoir vu le sol se mouvoir en vagues absolument semblables à celles de la mer. On leur attribue des hauteurs variant entre des fractions de mètre et quelques mètres, la distance de crête à crête s'évaluant entre dix et quarante ou cinquante mètres. Rarement toutefois elles ont été observées avec sang-froid par des hommes de science, et, ne se produisant qu'à l'occasion des grands tremblements de terre et seulement dans des terrains incohérents, sables, alluvions, cendres volcaniques, etc., elles ont été longtemps attribuées par les sismologues à une pure illusion des sens. Ils pensaient que l'observateur prêtait au sol le mouvement ondulatoire dont il était lui-même animé. Une discussion approfondie de ces relations a fait bonne justice de ce scepticisme. D'ailleurs il s'est produit tel cas où le sol ainsi mis en mouvement n'a pu reprendre sa forme primitive, et les vagues en question, au lieu de s'évanouir, se sont pour ainsi dire figées, cristallisées à la surface du sol, laissant ainsi derrière elles un témoignage écrit, tangible et probant de leur réalité.

Les vagues sismiques visibles sont, comme on vient de le dire, propres aux terrains superficiels sans consistance et, momentanément, ces matières assument toutes les propriétés physiques d'un liquide. La gravité intervient dans leur mécanisme

intime et c'est pour cela qu'on les a nommées gravifiques. Quand elles passent sous un édifice, elles opèrent avec la plus grande énergie pour sa destruction, car il est obligé de s'incliner avec elles. Il semble assez probable qu'elles sont dues au choc des masses rocheuses compactes que le tremblement de terre a mises en mouvement ondulatoire contre les masses incohérentes citées plus haut et placées à leur contact. A San Francisco, lors du désastre du 18 avril 1906, on les a vues soulever Les pavés des rues et tordre les rails des tramways, l'ensemble conservant sa forme ondulée après l'événement.

Si l'on fait abstraction du bruit spécial qui accompagne les tremblements de terre, les précède et les suit, et qui mérite de faire l'objet d'un chapitre particulier, c'est à ces notions que se borne ce que peut apprendre l'observation directe des sens sur la nature du mouvement sismique. Quant à analyser le phénomène de plus près, ils y sont impuissants sans le secours de l'expérimentation instrumentale, et c'est pour ce motif que, logiquement, on va maintenant exposer les principes sur lesquels sont basés les appareils employés en Sismologie, avant d'étudier les résultats positifs qu'ils ont fournis.