La puissance d’un séisme est mesurée par sa magnitude, qui se calcule à partir des vibrations du sol enregistrées par des sismomètres. La magnitude d’un séisme est une mesure faite à distance mais qui représente ce qui s’est passé à l’épicentre : elle est donc identique quel que soit l’endroit où l’on se trouve. C’est un peu comme la puissance d’une ampoule, décrite par un chiffre en Watts : ce chiffre ne change pas quel que soit la distance à l’ampoule!
Pour les séismes, tout s’arrêterait là s’il n’y avait qu’une seule façon de faire la mesure du mouvement du sol…
…si on mesure l’amplitude maximale des ondes sismiques P ou S enregistrées par des sismomètres à moins de quelques centaines de kilomètres de l'épicentre, on obtient la "magnitude locale", notée ML. C’est ce que fait ayiti-seismes en routine.
Exemple de l’enregistrement du mouvement du sol en fonction du temps (= un sismogramme) d’un séisme de magnitude 6 enregistré par une station sismologique située à plus de 1000 km de distance (https://actugeologique.fr/2019/02/les-ondes-sismiques).
…si on mesure l’amplitude maximale des premières ondes P enregistrées à plus de 1000 km de l'épicentre, on obtient la "magnitude de volume", notée mb ou mB. Elle n’est pas calculée pour les petits séismes car ils sont trop faibles pour être enregistrés aussi loin.
…si on mesure l’amplitude maximale des ondes de surface (voir figure), plus lentes et plus tardives que les ondes P et S, on obtient la "magnitude de surface", notée MS.
…si on est capable d’utiliser les enregistrements sismiques pour déterminer le déplacement et la taille de la faille, on peut alors calculer la "magnitude de moment", notée Mw. Elle est reliée à l’énergie mécanique libérée par le séisme.
Il existe donc plusieurs types de magnitude qui sont toutes présentées avec la même échelle, mais mesurent des aspects un peu différents des séismes. Cela qui explique que le même séisme puisse parfois être présenté avec des valeurs de magnitude légèrement différentes, suivant le type de données à la disposition des sismologues.
De plus, le nombre et la localisation des sismomètres utilisés pour mesurer un séisme donné varient d’un centre sismologique à l’autre. Cela a aussi une influence sur la magnitude calculée.
Enfin, l’estimation de la magnitude peut varier légèrement dans les premières minutes ou heures suivant un séisme, le temps que les sismologues collectent le maximun des données disponibles.
Pour en savoir un peu plus :
La puissance d’un séisme est mesurée soit par les dégâts causés aux bâtiments ou le ressenti de la population — on parle alors d’intensité — soit par le mouvement du sol détecté par des sismomètres — on parle alors de magnitude :
- L’intensité est déterminée en observant les effets d’un séisme sur les constructions (fissures, destructions, etc), à partir des témoignages de la population, ou en mesurant l’accélération maximale du sol si on dispose d’instruments adéquats (accéléromètres). L’ensemble de ces effets permet de déterminer l'intensité dite “macrosismique”, souvent exprimée en chiffres romains. Son échelle est constituée de 10 à 12 degrés et peut légèrement varier d’un continent à l’autre — mais elle est toujours fermée. L'intensité diminue avec la distance à l’épicentre car les vibrations sismiques perdent de l’amplitude en se propageant.
- La magnitude est déterminée en mesurant les vibrations du sol à l’aide de sismomètres situés à des distances variées de l’épicentre. La magnitude a été définie pour se rapprocher le plus possible de l’énergie émise par le séisme à son épicentre — cette énergie émise à l’épicentre est bien sûr la même quel que soit le lieu où l’on se trouve. Les dégâts aux bâtiments ou le ressenti — donc l’intensité — diminuent avec la distance car les ondes sismiques perdent de l’amplitude à mesure qu'elles se propagent. Un séisme a donc plusieurs intensités en fonction de la distance à l’épicentre, mais une seule magnitude.
Ok, mais quelles vibrations du sol utilise-t-on pour calculer la magnitude ?
S’il s’agit des ondes P et S mesurées par des sismomètres situés à quelques centaines de km de l’épicentre, alors on obtient la magnitude locale. Elle se calcule à partir de l’amplitude maximale des ondes P ou S enregistrées, corrigée d’un facteur qui dépend de la distance sismomètre — épicentre. On l’abrège par “ML”. Cette magnitude locale fut définie par Charles Richter pour la Californie du Sud en 1935. Elle est très utile pour décrire la sismicité d’une petite région et, de nos jours, est surtout utilisée pour les séismes de magnitude inférieure à 4.5 environ. On distingue parfois la magnitude locale calculée à partir des mouvements du sol verticaux (MLv) ou horizontaux (MLh).
S’il s’agit des ondes P mesurées par des sismomètres situés à plus de 1000 km de l’épicentre, alors on obtient la magnitude de volume. Elle se calcule en utilisant l’amplitude des premières vibrations enregistrées, avec une correction qui dépend aussi de la distance sismomètre - séisme et de la profondeur de ce dernier. On abrège cette magnitude par “mb” (petit b) si le calcul est fait avec seulement les toutes premières vibrations enregistrées, ou “mB” (grand B) si on utilise une fenêtre un peu plus longue. On utilise cette magnitude pour des séismes de magnitude jusqu’à environ 6. Au-delà, elle donne des résultats inférieurs à la puissance “vraie” du séisme (elle “sature”).
S’il s’agit des ondes dites “de surface”, qui, contrairement aux ondes P et S, ne se propagent pas au travers du volume de la Terre, mais seulement dans les premières centaines de kilomètres sous sa surface, alors on obtient la magnitude de surface. Ces ondes sont plus lentes que les P et S, et arrivent donc plus tard aux stations sismologiques. Là encore, on se sert de la mesure de l’amplitude maximale sur le sismogramme en sélectionnant les ondes d’une fréquence donnée. On abrège cette magnitude par “MS”. On utilise cette magnitude pour des séismes de magnitude jusqu’à environ 8. Au-delà, elle donne des résultats inférieurs à la puissance “vraie” du séisme (elle “sature”).
Ces trois principaux types de magnitudes ont chacune le défaut de ne pas être très fiables pour les séismes de magnitude importante. Si l’on dispose de stations sismologiques dites “large bande” qui enregistrent la totalité du mouvement du sol, on peut alors calculer le double couple mécanique correspondant au mouvement sur la faille lors du séisme. Ce double couple — dont l’amplitude est appelée “moment sismique”, noté Mo — est la mesure la plus fiable de l’énergie mécanique libérée par le séisme. On en dérive une magnitude dite “de moment”, notée Mw, par la relation :
Mw = 2/3 log(Mo) - 10.7 [avec Mo en 10-7 N.m (N.M est l’unité de Newton mètre)]
Et l’échelle de Richter, c’est quoi ?
C’est l’échelle basée sur la magnitude telle que définie par Charles Richter en 1935, la magnitude locale (ML). Ce type de magnitude est maintenant rarement utilisé dès que les séismes dépassent une magnitude l’ordre de 4.5. Quand un présentateur télévisé annonce “un séisme de magnitude 8 sur l’échelle de Richter”, il s’agit dans la plupart des cas, de nous jours, d’une magnitude de moment Mw…
On dit que l’échelle des magnitudes est logarithmique, ça veut dire quoi ?
Cela veut dire que pour chaque degré de magnitude, le mouvement du sol augmente d’un facteur 10. Ceci est hérité de la définition originelle de la magnitude locale par Richter, qui écrit : ML = log(Amax) + un facteur correctif fonction de la distance. On voit donc que pour que ML augmente d’un degré, l’amplitude maximale Amax lue sur le sismogramme doit être multiplié par 10, car log(10) = 1.
Ok, mais j’ai entendu que l’énergie augmentait d’un facteur 30 pour chaque magnitude ?
La situation est en effet différente pour l’énergie mécanique libérée, quantifiée par le moment sismique Mo. L’équation qui relie Mo à la magnitude de moment Mw implique que chaque degré de magnitude correspond à un moment — une énergie libérée — qui est 10^(3/2) = 32 fois supérieure. L’énergie libérée par un séisme de magnitude 7 est donc 32 fois supérieure à un celle libérée par un séisme de magnitude 6, et 32x32=1000 fois supérieure à un celle libérée par un séisme de magnitude 5.
On entend que l’échelle des magnitudes est ouverte, ça veut dire quoi ?
L’échelle des magnitudes n’est pas limitée, contrairement par exemple à celle des cyclones qui va de 1 à 5. En effet, la définition des magnitudes, quelle que soit leur type, implique la fonction logarithme — du mouvement du sol pour ML, mb, ou MS, du moment sismique pour Mw. Cette fonction, définie pour des valeurs strictement positives, fournit des valeurs entre -/+ infini, d’où l’échelle dite “ouverte”. Le plus gros séisme enregistré à ce jour avait une magnitude de 9.5 et eut lieu au Chili en 1960. Mais rien ne dit qu’un séisme plus fort ne pourrait pas arriver un jour! Ce séisme a libéré une énergie plus de 1000 fois supérieure au séisme de magnitude 7 du 12 janvier 2010 en Haïti. A l’autre extrémité de l’échelle, des magnitudes négatives sont possibles quand l’amplitude du mouvement du sol est très, très petite. Mesurer des magnitudes négatives nécessite des sismomètres très sensibles et très proches des séismes.
L’échelle macrosismique, à quoi ça sert ?
Quand un séisme suffisamment important a lieu dans une région habitée, il est ressenti par les habitants et peut causer des dégâts aux bâtiments. On peut alors utiliser ces informations pour construire une ce que l’on appelle une "intensité macrosismique". Par exemple, une intensité macrosismique II correspond à une secousse faiblement ressentie par une partie de la population, une intensité VI correspond à une destruction de bâtiments mal construits ou très anciens et causer des fissures dans des bâtiments en béton armé, une intensité maximale X ou XII (selon les échelles) correspond à des destructions généralisées et parfois même des changements de paysage (changement du lit des rivières par exemple). Les échelles macrosismiques sont légèrement différentes d’un continent à l’autre : on utilise l’échelle EMS 98 en europe et l’échelle MMI dite de “Mercalli modifiée" (Modified Mercali Intensity) aux Etats Unis d'Amérique.
Pour en savoir beaucoup plus :