Un sismogramme correspond à l’enregistrement par un sismographe des vibrations du sol. Il permet d’observer l’arrivée des différents types d’ondes sismiques et de déterminer, grâce à leur temps d’arrivée, leur vitesse.

Sur le sismogramme ci-contre,

on distingue des ondes P (les premières à arriver) puis des ondes S (les secondes à arriver). Parmi les ondes P on observe l’arrivée d’ondes PMP qui correspondent à des ondes P réfléchies par une discontinuité.

Les lois régissant la propagation des ondes lumineuses à l’interface de deux milieux différents (appelé limite ou discontinuité) sont applicables à la propagation des ondes sismiques ou rais sismiques. Ces lois expriment le changement de direction d’un faisceau lumineux lors de la traversée d’une paroi, séparant deux milieux différents. Chaque milieu est caractérisé par sa capacité à « ralentir ou accélérer » les ondes. En géologie, on parle de rai sismique permettant de donner le sens et la direction d’une onde sismique.

• Lorsqu’une onde sismique change de milieu, elle va se diffracter en deux ondes, une réfléchie dans le milieu initial et l’autre réfractée dans le milieu suivant. Chaque milieu est caractérisé par sa capacité à ralentir ou accélérer l’onde sismique. Cette diffraction répond aux lois de Snell-Descartes.
• Par rapport à la normale au point d’incidence (point d’arrivée de l’onde sur la limite entre les deux milieux) l’angle du rai sismique incident avec la normale est égal en valeur absolue de l’angle du rai sismique réfléchi avec la normal : |i1|=|i1’|
• Par rapport à la normale au point d’incidence, l’angle du rai sismique avec la normale i1 est différent de l’angle du rai sismique transmis avec la normale : Sin i1/ Sin i2 = V1 / V2
  
• Par rapport à la normale il existe un angle incident critique à partir duquel le rai sismique subit une réfraction totale et donne naissance à des ondes coniques. Si la vitesse de conduction dans le milieu 2 (V2) est supérieure à celle du milieu 1 (V1) alors les ondes coniques seront accélérées.

Les ondes directes se propagent uniquement dans le premier milieu.

Elles se déplacent à vitesse constante. Ainsi, la vitesse d’une onde directe correspond à la distance d parcourue par cette onde par rapport au temps T mis par cette onde pour parcourir cette distance. Soit la relation suivante :

Vonde = donde / Tonde

Attention : Dans le modèle utilisé, et par soucis de simplification, on considère que la vitesse de ces ondes est constante dans le milieu et qu’elles se propagent en ligne droite. En réalité, les ondes s’enfoncent toujours légèrement et la vitesse augmente avec la profondeur

Avec un certain angle incident (appelé angle limite), les ondes sismiques réfractées se propagent dans le milieu 2 sous la discontinuité et parallèlement à celle-ci. Cela engendre, tout le long de la trajectoire, des ondes coniques qui remontent ensuite vers la surface.

Comment interpréter ces ondes ?

• Si la vitesse de conduction de l’onde sismique dans le milieu 2 est supérieure à celle dans le milieu 1, ces ondes réfractées coniques arrivent à la station d’enregistrement avant les ondes directes.
• Si la vitesse de conduction de l’onde sismique dans le milieu 2 est inférieure à celle dans le milieu 1, ces ondes réfractées arriveront à la station d’enregistrement après les ondes réfléchies.

L’observation de ces ondes coniques témoignent de la présence d’un second milieu aux caractéristiques différentes (composition et caractéristiques physiques différentes) et permet de mettre en évidence l’accélération ou le ralentissement de l’onde dans le milieu 2.

Les ondes réfléchies sont produites au niveau du point d’incidence sur la discontinuité. Elles ont la même vitesse que les ondes directes car elles traversent le même milieu. Par contre, elle parcours une distance beaucoup plus importante. On peut calculer la profondeur de la discontinuité en utilisant le théorème de Pythagore. Si h est la profondeur de la discontinuité, d la distance parcoure par cette onde et D la distance entre l’épicentre et la station sismique, on a l’égalité :

(d/2)² = h² + (D/2)²

Puisque le temps d’arrivée est égal à T = d / Vonde

En en déduit que :

h² = (d/2)² - (D/2)²

h = √((d/2)²- (D/2)² )

h = √ ( ( TVonde/2 )²- ( D/2 )² )

Dans l’animation ci-dessus :

• La station sismique 1 enregistre uniquement un train d’ondes directes.
  

On peut alors calculer la vitesse des ondes dans le milieu 1.

• La station sismique 2 enregistre deux trains d’ondes, des ondes directes et réfléchies.
  

On peut alors calculer la vitesse des ondes dans le milieu 1 et la profondeur de la discontinuité.

• La station sismique 3 enregistre deux trains d’ondes, des ondes directes et coniques.
  

On peut alors calculer la vitesse des ondes dans le milieu 1 et comparer cette vitesse de propagation avec celle dans le milieu 2.