Le « tic-tic » d'un séisme : pourquoi arrive-t-il
avant le « gros tremblement » ?
Lors d'un séisme, on sent d'abord une petite secousse, un tic-tic, puis, un peu plus tard, un grand tremblement qui fait tout osciller fortement. Cet ordre est presque toujours le même. C'est parce que, sous terre, deux types d'ondes partent en même temps, et une seule arrive en premier. Ce décalage de quelques secondes rend possible l'alerte sismique précoce.
Quand un séisme arrive, il est rare qu'il commence par une forte secousse. On sent d'abord un petit tremblement, un tic-tic. Parfois, c'est juste assez pour faire légèrement tinter la vaisselle.
Quelques secondes après avoir pensé « c'est un séisme », arrive une grande secousse. C'est elle, la vraie. C'est généralement elle qui fait tomber les objets des étagères et qui nous déséquilibre.
Plus le séisme est lointain, plus l'intervalle entre les deux est long. Si vous sentez un écart important, c'est que l'épicentre est loin.
Pourquoi des secousses issues du même séisme arrivent-elles en deux temps ?
L'une est une onde de compression, l'autre une onde de cisaillement. Elles partent du même endroit, au même instant, mais leur vitesse de propagation diffère.
L'onde de compression, qui arrive en premier, provoque une faible secousse ; l'onde de cisaillement, qui arrive après, secoue fortement. D'où l'ordre « petit puis grand ».
Ce décalage n'est pas le fruit du hasard : il découle des propriétés physiques du sol lui-même. Voyons cela étape par étape.
Pourquoi l'onde de compression est-elle plus rapide ?
Un solide comme le sol peut se déformer de deux façons.
- Compression / étirement ― une déformation qui change le volume
- Cisaillement ― une déformation qui change seulement la forme, latéralement, sans changer le volume
Or, la matière résiste fortement à la compression, mais relativement faiblement au cisaillement. Pensez à une gomme : difficile à écraser, mais facile à tordre latéralement.
La vitesse d'une onde est d'autant plus grande que la résistance est forte, et d'autant plus faible que la matière est lourde. C'est la même logique qu'une corde bien tendue qui produit un son plus aigu (une onde plus rapide).
C'est pourquoi l'onde de compression, qui mobilise la résistance forte, est rapide, tandis que l'onde de cisaillement, qui mobilise la résistance faible, est lente. Cet ordre ne peut jamais s'inverser.
Si l'ordre d'arrivée diffère, c'est à cause de la résistance du sol à la déformation.
Voici qui mène à une découverte surprenante. L'onde de cisaillement ne peut pas se propager dans un liquide. Un liquide n'a pas de « force de rappel » pour garder sa forme : quand on le cisaille, il ne revient pas en place, et l'onde ne s'y propage pas.
Au début du XXe siècle, des chercheurs ont rassemblé les enregistrements d'observatoires du monde entier après de grands séismes, et ont remarqué quelque chose : dans une certaine zone, aux antipodes, l'onde de cisaillement n'arrivait jamais du tout.
Il n'y a qu'une seule explication. L'intérieur de la Terre comporte une couche liquide. Une structure jamais vue, à des milliers de kilomètres de profondeur, a ainsi été révélée uniquement à partir d'enregistrements de secousses. C'est grâce à cette observation que nous savons que « le noyau externe de la Terre est liquide ».
Un décalage de quelques secondes rend l'alerte possible
L'alerte sismique précoce utilise ce décalage temporel.
La station d'observation proche de l'épicentre détecte l'onde de compression qui arrive en premier, et envoie l'information sous forme de signal électrique. Ce signal électrique voyage bien plus vite que l'onde dans le sol, si bien que l'alerte peut arriver avant la grande secousse.
Mais cette méthode a des limites inévitables.
- Si l'épicentre est proche, il n'y a pas le temps. Pour un séisme survenant juste en dessous, les deux ondes arrivent presque en même temps. Dans ce cas, l'alerte peut sonner après que la secousse a déjà commencé
- L'estimation de magnitude, faite sur les premières secondes, peut être révisée. Certains séismes commencent petit puis s'amplifient ; le mouvement initial seul ne permet pas toujours de connaître l'ampleur finale
- Le délai est au mieux de quelques dizaines de secondes. Il faut décider à l'avance de ce qu'on peut faire pendant ce court laps de temps
- Protégez-vous la tête, baissez-vousGlissez-vous sous une table solide et tenez-en les pieds. Sans table, allez vers un endroit où rien ne peut tomber, basculer ou se déplacer vers vous. Éloignez-vous des vitres, des meubles hauts et des luminaires suspendus.
- Ne sortez pas précipitamment. Ne courez pas vers le feu non plusÀ l'extérieur, les chutes d'objets sont dangereuses. Éteignez le gaz seulement après la fin de la secousse. Les appareils à gaz actuels s'arrêtent souvent automatiquement en détectant les secousses ; s'en approcher précipitamment est plus risqué.
- Une fois la secousse terminée, vérifiez votre sécurité avant d'agirProtégez vos pieds avec des chaussons ou des chaussures (du verre peut être au sol), et dégagez une sortie. En cas de blessé, appelez le 119. Dans les zones à risque de tsunami, évacuez immédiatement vers un lieu élevé sans attendre l'alerte.
L'« intervalle » révèle la distance
Comptez le nombre de secondes entre le début du tic-tic et l'arrivée de la grande secousse. En multipliant ce nombre de secondes par environ 8, vous obtenez la distance approximative à l'épicentre (en kilomètres).
5 secondes donnent environ 40 km, 10 secondes environ 80 km. C'est très simple, mais c'est une relation établie au Japon au XIXe siècle, encore utilisée aujourd'hui comme repère.
À l'inverse, un séisme sans intervalle perceptible signifie un épicentre très proche. Une secousse brutale, qui vous soulève d'un coup, indique un foyer juste en dessous ou tout proche.
Ce qu'on peut vérifier chez soi
- Étendez un long ressort (un jouet en spirale) sur le sol et tenez une extrémité
- Poussez rapidement l'extrémité tenue d'avant en arrière : une zone compressée se déplace le long du ressort. C'est l'onde de compression
- Avec le même ressort (ou une corde), donnez un coup latéral à l'extrémité : une ondulation latérale se déplace le long du ressort. C'est l'onde de cisaillement
- Comparez les vitesses en rendant le ressort plus ou moins tendu
- Essayez ensuite de secouer latéralement le bord d'un bac rempli d'eau. Vous verrez que la déformation latérale ne se propage pas telle quelle
Avec le même ressort, selon la façon de le secouer, la propagation est totalement différente. Et dans l'eau, la déformation latérale ne se propage pas — c'est exactement ce que signifie « l'onde de cisaillement ne traverse pas les liquides », l'indice qui a permis de découvrir que l'intérieur de la Terre est liquide. Le bac de votre cuisine et le noyau de la Terre obéissent à la même logique.
En résumé
Le tic-tic arrive en premier parce que le sol résiste fortement à la compression, mais faiblement au cisaillement. L'onde qui mobilise la résistance forte va plus vite et arrive la première. Ce décalage de quelques secondes rend possible l'alerte sismique précoce, et la même propriété nous a aussi révélé la structure interne de la Terre.
Le premier tic-tic est un avertissement.
Protégez-vous la tête avant de vous mettre à compter.
Même après la fin d'une forte secousse, sur les terrains remblayés par exemple, le sol lui-même peut s'affaiblir : c'est le phénomène de « liquéfaction ». Son mécanisme est expliqué dans l'article sur la liquéfaction. Par ailleurs, la raison pour laquelle de petites secousses se poursuivent pendant plusieurs jours après un grand séisme est traitée dans « Pourquoi les répliques durent-elles plusieurs jours après un grand séisme ? ».
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège aux sujets de recherche actuels, le niveau de chaque point est indiqué
- CollègeNotions vues en sciences au collège
- LycéeNotions vues en « physique-chimie de base » ou « sciences de la Terre de base » au lycée
- Lycée +Notions de « physique » ou « sciences de la Terre » du lycée, ou contenus approfondis/encarts des manuels
- UniversitéContenus de matières spécialisées universitaires (sismologie, théorie de l'élasticité), non enseignés au lycée
- RechercheSujets encore à l'étude par les chercheurs, non enseignés comme « établis » même à l'université
CollègeVocabulaire : les termes des séismes
- Onde P : « onde de compression » du texte. P pour Primary (première). C'est une onde longitudinale, oscillant dans le sens de propagation, responsable des secousses préliminaires.
- Onde S : « onde de cisaillement » du texte. S pour Secondary (seconde). C'est une onde transversale, oscillant perpendiculairement au sens de propagation, responsable de la secousse principale.
- Durée des secousses préliminaires : temps écoulé entre l'arrivée de l'onde P et celle de l'onde S. On l'appelle aussi temps P-S.
- Intensité et magnitude : l'intensité est la force de la secousse en un lieu donné, et varie d'un endroit à l'autre. La magnitude est l'ampleur du séisme lui-même, une seule valeur par séisme.
- Foyer et épicentre : le foyer est le point en profondeur où la roche commence à se rompre ; l'épicentre est le point en surface situé juste au-dessus.
LycéeVérification par le calcul : compter les petites secousses donne la distance à l'épicentre
Lors d'un séisme, on sent d'abord une petite secousse, un tic-tic, puis vient la grande secousse. En comptant simplement les secondes entre les deux, on peut obtenir la distance à l'épicentre.
distance ＝ vitesse × temps
| Onde rapide (onde P) | environ 7 km/s |
| Onde lente (onde S) | environ 4 km/s |
| Intervalle en secondes | durée de la petite secousse [s] |
Au même instant, depuis le même endroit, deux ondes de vitesses différentes partent ensemble. Plus la distance est grande, plus l'écart à l'arrivée se creuse. C'est comme dans un marathon : l'écart entre un coureur rapide et un coureur lent s'agrandit avec la distance.
Autrement dit, « l'écart en secondes » devient directement une mesure de distance.
Soit D la distance à l'épicentre et t la durée de la petite secousse. Les temps d'arrivée respectifs sont D ÷ 7 et D ÷ 4. Leur différence est t. En réarrangeant, on obtient :
D ＝ t × (7 × 4) ÷ (7 − 4)
| Calcul du numérateur | 7 × 4 ＝ 28 |
| Calcul du dénominateur | 7 − 4 ＝ 3 |
| Division | 28 ÷ 3 ≒ 9,3 |
| En résumé | D ≒ t × 9,3 (km) |
La règle courante « secondes × 8 » est cette valeur de 9,3 ajustée à la structure réelle du sous-sol (la vitesse des ondes varie avec la profondeur). Retenir simplement « secondes × 8 à 9 km » suffit largement.
| Petite secousse de 3 secondes | 3 × 8 ＝ 24 km |
| Petite secousse de 10 secondes | 10 × 8 ＝ 80 km |
| Petite secousse de 30 secondes | 30 × 8 ＝ 240 km |
Le point important ici : un intervalle long ne signifie pas « loin donc sans danger ». Ressentir une secousse malgré la distance signifie que le séisme est d'autant plus important.
À l'inverse, une forte secousse sans temps de compter signifie un épicentre proche. Dans tous les cas, comptez après vous être protégé, pas avant.
L'alerte repose sur l'observation de l'onde P qui arrive en premier, pour prévenir de l'onde S qui arrive ensuite. Le temps gagné se calcule avec la même méthode qu'au point ②.
| Distance à l'épicentre | supposée à 100 km |
| Arrivée de l'onde P | 100 ÷ 7 ≒ 14 s |
| Arrivée de l'onde S | 100 ÷ 4 ＝ 25 s |
| Différence | 25 − 14 ＝ 11 s |
11 secondes. Et comme il faut quelques secondes entre l'observation et la diffusion de l'alerte, le temps réellement disponible pour agir est encore plus court.
Et plus l'épicentre est proche, plus cet écart se réduit. À 20 km, on a 20 ÷ 7 ≒ 3 s et 20 ÷ 4 ＝ 5 s, soit un écart de seulement 5 − 3 ＝ 2 s. Pour un séisme survenant juste en dessous, l'alerte n'a pas le temps d'arriver avant la secousse. Ce n'est pas un problème technique, mais une limite imposée par la vitesse des ondes elles-mêmes.
Attendre l'alerte pour réfléchir arrive donc trop tard. Fixer les meubles, ne rien laisser pouvoir tomber près du lit : ce sont ces mesures prises à l'avance qui sont réellement efficaces.
La magnitude est une échelle où chaque unité supplémentaire multiplie l'énergie par environ 32. Elle progresse par multiplication, pas par addition.
| Écart entre M7 et M8 | 32 fois |
| Écart entre M7 et M9 | 32 × 32 ＝ 1024 fois |
« M7 et M9 ne diffèrent que de 2 » est trompeur : c'est environ 1000 fois plus. Comme l'échelle paraît avoir de petits chiffres, l'écart réel est difficile à ressentir intuitivement. Connaître le sens de cette échelle change la façon de recevoir une même annonce.
LycéeD'où vient la règle « secondes × 8 » ?
Soit d la distance à l'épicentre, et Vp, Vs les vitesses respectives des ondes P et S. L'écart des temps d'arrivée s'écrit :
t = d/Vs − d/Vp
En résolvant pour d, on obtient d = t × Vp·Vs/(Vp − Vs). Faisons l'application numérique.
| Vitesse de l'onde P | environ 8 km/s |
| Vitesse de l'onde S | environ 4 km/s |
| Coefficient Vp·Vs/(Vp−Vs) | 8 × 4 ÷ (8 − 4) ＝ 8 |
| Si le temps P-S est de 10 s | d ≒ 8 × 10 ＝ 80 km |
* La vitesse réelle variant selon la structure du sous-sol, le coefficient est généralement estimé entre 6 et 8. À utiliser comme repère.
Cette relation est appelée formule d'Omori, du nom d'Omori Fusakichi et de ses collègues, qui l'ont étudiée au Japon à l'ère Meiji. Pouvoir connaître la distance à l'épicentre avec une simple montre en fait encore aujourd'hui un élément de base enseigné en sciences de la Terre.
Lycée +Ce qui déterrmine la vitesse d'une onde
La vitesse d'une onde dans un corps élastique s'écrit approximativement v = √(module élastique / masse volumique). Plus c'est rigide, plus c'est rapide ; plus c'est lourd, plus c'est lent.
Or, la « rigidité » mobilisée diffère entre les deux ondes.
- Onde P : Vp = √((K + 4μ/3) / ρ) ― mobilise à la fois la résistance au changement de volume K et la résistance au changement de forme μ
- Onde S : Vs = √(μ / ρ) ― ne mobilise que la résistance au changement de forme μ
Le contenu de la formule de l'onde P est toujours plus grand, ce qui garantit mathématiquement Vp > Vs. Cet ordre ne peut en principe jamais s'inverser. Pour une roche typique, le rapport est d'environ 1,7.
Et dans un liquide, μ = 0, donc Vs = 0. L'onde S ne se propage pas. Ce que nous avons vu plus haut découle directement de cette seule ligne.
UniversitéVoir à travers la Terre grâce aux enregistrements des secousses
Les ondes sismiques se réfractent et se réfléchissent aux frontières où la matière du sous-sol change, comme la lumière se courbe dans le verre. Grâce à cette propriété, on peut remonter, à partir des temps d'arrivée des ondes dans les stations du monde entier, à la structure des vitesses à l'intérieur de la Terre.
Une des premières grandes découvertes fut celle de l'« ombre » de l'onde S. Dans les années 1910, on a constaté qu'entre environ 103 et 143 degrés d'angle depuis l'épicentre, l'onde S n'arrivait jamais du tout, confirmant l'existence d'un noyau externe liquide. Cela a été suivi par la découverte du noyau interne (solide) en 1936, par Inge Lehmann.
Aujourd'hui, on utilise la tomographie sismique, qui combine les données de nombreux séismes et stations pour déterminer une distribution tridimensionnelle des vitesses. Elle est utilisée pour estimer le trajet des plaques plongeantes ou les courants du manteau, selon le même principe qu'un scanner médical.
RechercheCe qu'on ne sait pas encore faire
- La prédiction des séismes reste impossible. Aucune méthode ne permet scientifiquement de déterminer à l'avance « quand, où et avec quelle ampleur » un séisme va se produire. De longues recherches ont eu lieu au Japon et ailleurs, mais le consensus actuel est qu'aucune prédiction fiable à court terme n'a été obtenue. Partant du principe que la prédiction est impossible, les efforts se concentrent sur la préparation préalable et l'information immédiate (l'alerte sismique précoce).
- On ne sait pas si le début d'un séisme déterminé sa taille finale. Les grands et les petits séismes ont des formes d'onde initiales très similaires. Deux hypothèses s'affrontent sans trancher : « le fait de rester petit ou de s'amplifier est dû au hasard » ou « l'ampleur finale est déterminée dès le début ». Cette question est directement liée à la précision de l'alerte sismique précoce. Si la seconde hypothèse est vraie, on pourrait estimer l'ampleur plus précisément dès les premiers instants.
- Le sens des glissements lents fait aussi l'objet de recherches en cours. Dans les années 2000, on a découvert, aux frontières de plaques, des phénomènes de glissement lent s'étalant sur plusieurs jours à plusieurs mois, accompagnés de faibles vibrations. Leur lien avec les grands séismes attire l'attention, mais on ne sait pas encore s'ils en constituent des signes avant-coureurs.
- La prévision des secousses de longue période reste également difficile. Des immeubles de grande hauteur, très éloignés de l'épicentre, peuvent osciller fortement ; cela dépend fortement de la structure des couches sédimentaires souterraines. La connaissance de cette structure étant limitée, une incertitude demeure dans les prévisions.
Lien avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Section de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : secousses sismiques et propagation / durée des secousses préliminaires | Ondes P et S, intensité et magnitude, règle secondes × 8 |
| Lycée | Physique de base : ondes (longitudinales et transversales) / Sciences de la Terre de base : intérieur de la Terre | Différence entre les deux ondes, dérivation de la formule d'Omori |
| Lycée + | Physique : élasticité et vitesse des ondes (souvent en contenu approfondi) | v＝√(module élastique/densité), pourquoi l'onde S ne se propage pas dans un liquide |
| Université | Sismologie, théorie de l'élasticité, géophysique | Ombre de l'onde S, découverte du noyau externe et interne, tomographie |
| Recherche | Sismologie (non résolu) | Limites de la prédiction, croissance de la rupture, glissements lents |
| ― | Éducation à la prévention des risques | Se protéger la tête, ne pas sortir, agir après la fin des secousses |
- Explications de l'Agence météorologique du Japon (気象庁) sur les séismes et sur le fonctionnement et les limites de l'alerte sismique précoce.
- Shearer, P. M., Introduction to Seismology (manuel de référence en sismologie).
- Lehmann, I., P', Publications du Bureau Central Séismologique International, 1936 (découverte du noyau interne).
- Obara, K., Nonvolcanic deep tremor associated with subduction in southwest Japan, Science 296, 1679-1681, 2002 (découverte des trémors profonds de basse fréquence).
- Documents du Cabinet Office (内閣府) et des collectivités locales japonaises sur les comportements à adopter et les mesures de préparation en cas de séisme.
* La vitesse des ondes sismiques et les coefficients varient selon la structure du sous-sol. Cet article présente des repères généralement utilisés.
※ Cet article est une explication scientifique à destination du grand public. En cas de séisme, suivez les consignes de l'Agence météorologique du Japon, des services de secours, des collectivités locales et des plans de prévention de votre région. Dans les zones à risque de tsunami, évacuez immédiatement vers un lieu élevé sans attendre l'alerte. Les valeurs indiquées ici sont des repères destinés à faciliter la compréhension des mécanismes.