D’où vient le bourdonnement de la Terre ?

Lundi, 23 mars 2015

En dehors de toute activité sismique, la Terre solide résonne en permanence sous l'action de l’océan, dans une large gamme de périodes allant de 1 à 500 secondes. Entre 50 et 300 secondes de périodes, les signaux sont de très faible amplitude mais on voit apparaître les modes propres de la terre et on parle du « bourdonnement de la Terre ». La source de ces signaux était encore mystérieuse, jusqu'à ce qu'une équipe des chercheurs français du Laboratoire de physique des océans (CNRS, OBU, Ifremer, IRD) Brest et de l’Institut de physique du globe de Paris (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité) montrent comment l’action des vagues sur le fond produit des ondes sismiques de même période. Ce travail est à paraître dans le prochain numéro du Geophysical Research Letters, (publication en ligne le 10 février 2015).


Le port du Conquet le jour de la tempête Johanna (10 mars 2008), qui correspond au cas particulier étudié dans l'article. © photo Steven Lamarche,Ifremer.

Le bourdonnement de la Terre a été découvert en 1998 par plusieurs équipes de sismologues et son origine a fait l'objet de nombreuses spéculations. Des études récentes(1) faisaient appel à l'interférence en pleine mer de vagues de très basses fréquences (infragravitaires) de directions opposées, susceptibles de générer des ondes sismiques dont la période est la moitié de la période des vagues.  Partant de cette idée, l'équipe menée par Fabrice Ardhuin et Eléonore Stutzmann voulaient utiliser le bourdonnement de la Terre pour améliorer les connaissances de la structure de la Terre solide et étudier les tempêtes près des côtes ou en mer.
La première étape du travail a été de modéliser par un calcul numérique la position et l'intensité des sources sismiques pouvant être produites par ce type de vagues. Ce calcul avait très bien marché pour les ondes sismiques de période autour de 5 secondes. Mais pour 100 secondes, rien n'allait plus : l'amplitude ainsi calculée pour les ondes sismiques était un million de fois trop faible. Soit la théorie n'était pas bonne, soit il y avait une erreur dans les calculs.


Les auteurs ont alors testé pour ces longues périodes un autre mécanisme connu pour expliquer les ondes sismiques de période 10 à 20 s. Cet autre mécanisme fait intervenir les variations de pression causées par des vagues sur un fond en pente. Et là, non seulement la théorie explique l'amplitude mesurée mais aussi ses variations à l'échelle de quelques heures ou de l'année et ses variations d'une station à l'autre. Le bourdonnement de la Terre n’est donc pas dû à un phénomène se produisant en pleine mer, mais à une interaction entre les vagues et le fond à proximité du plateau continental.

Alors à quoi cela peut-il servir? Tour d'abord c'est toujours rassurant de comprendre ce que l'on observe, de déterminer la source de signaux qui étaient encore assez mystérieux. Mais surtout, on peut espérer l’ouverture d’un champ nouveau de recherche et d’autres découvertes. Cela permettra sûrement de détecter des anomalies, d'autres signaux inattendus. Par ailleurs, il y a très peu de mesures des ondes infragravitaires avant les années 2000. Ces ondes sont associées aux très fortes tempêtes et il est intéressant de mieux connaître leurs propriétés, que ce soit pour des questions de submersion marine et d'agitation portuaire, de fracture de langues de glace en Antarctique, de fragilité des lignes de mouillage, ou encore pour la mesure du niveau de la mer par satellite.  Par ailleurs, une meilleure connaissance des sources des ondes sismiques devrait aussi permettre d'améliorer les techniques d'étude des propriétés de la Terre solide.


Cette figure montre, en haut, l'évolution de l'amplitude des oscillations verticales filtrées pour garder les périodes de 50 à 130 s. Les mesures proviennent de la station SSB du réseau GEOSCOPE/RESIF, au sud de Saint-Etienne. Les signaux les plus forts (qui sortent de l'échelle) sont deux tremblements de terre de magnitude 6.9 le 3 mars et 7.1 le 20 mars. D'autres séismes de magnitude supérieure à 5.6 peuvent être les sources de signaux enregistré dans les plages grisées. En dehors de ces plages, le signal mesuré correspond bien à ce qui est attendu d'un calcul théorique de l'effet des vagues infragravitaires aux dessus de pentes. L'évènement le plus intense correspond à la tempête Johanna du 10 et 11 mars 2008, qui a dévasté le littoral espagnol, français et britannique. Les dégâts ont été particulièrement forts en Bretagne car la tempête a coïncidé avec une marée de vive eau. La carte du bas montre la répartition des sources d'ondes sismiques calculées à partir des vagues. © Ardhuin et al. GRL 2015

Note(s): 

1- C'est ainsi que Spahr Webb l'a expliqué dans deux articles en 2007 et 2008, utilisant la théorie élaborée par Klaus Hasselmann en 1963.

Pour en savoir plus: 

Voir aussi : Lire dans le bruit microsismique les effets des marées et de la houle sur les côtes et dans l’océan profond

Tous ces sujets feront l'objet du colloque sur les ondes infragravitaires et le bourdonnement (les 12 et 13 mars à Brest). Les travaux futurs viseront à étendre l’étude aux mouvements horizontaux (ondes de Love), à vérifier les résultats avec d'autres méthodes et d'autres stations sismiques. Ces développements sont l'objet du projet "MIMOSA" soutenu par l'Agence Nationale de la Recherche.

Source(s): 

How ocean waves rock the Earth: Two mechanisms explain microseisms with periods 3 to 300 s, F. Ardhuin (LPO), L. Gualtieri (IPGP), E. Stutzmann (IPGP) - GRL DOI: 10.1002/2014GL062782

(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014GL062782/abstract)

Contact(s):
  • Fabrice Ardhuin, LOPS/IUEM
    fabrice [dot] ardhuin [at] ifremer [dot] fr, 06 52 86 64 41
  • Eléonore STUTZMANN, IPGP (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité)
    stutz [at] ipgp [dot] fr, 01 83 95 74 80

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