Magnitude (sismologie)

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La magnitude est en sismologie la représentation logarithmique du moment sismique, qui est lui-même une mesure de l' énergie libérée par un séisme.

Plus le séisme a libéré d'énergie, plus la magnitude est élevée : un accroissement de magnitude de 1 correspond à une multiplication par 30 de l'énergie et par 10 de l'amplitude du mouvement [1].

Les médias emploient souvent les termes d'échelle de Richter ou d'échelle ouverte de Richter, mais ces termes sont impropres : l'échelle de Richter, stricto sensu, est une échelle locale, surtout adaptée aux tremblements de terre californiens. Les magnitudes habituellement citées de nos jours sont en fait des magnitudes de moment (notées Mw ou M) [2].

La magnitude et l'intensité (comme l' échelle de Mercalli) sont deux mesures différentes. L'intensité est une mesure des dommages causés par un tremblement de terre. Alors qu'un séisme a théoriquement une seule valeur de magnitude (en pratique plusieurs valeurs de magnitude peuvent être citées, selon la manière dont les calculs ont été réalisés), l'intensité varie en fonction de l'endroit où l'observateur se trouve [1]. Il existe des relations reliant l'intensité maximale ressentie et la magnitude mais elles sont très dépendantes du contexte géologique local. Ces relations servent en général à retrouver la magnitude des tremblements de terre historiques.

Les différentes magnitudes

On distingue plusieurs types de magnitudes [3]:

De nos jours, les magnitudes diffusées par les médias, en particulier en provenance de l' USGS (l'Institut d'études géologiques des États-Unis), sont des magnitudes du moment. L'emploi de l'expression "magnitude sur l'échelle de Richter" est impropre, notamment pour les séismes de large magnitude (supérieures à 6.5-7).

Échelle de Richter ML

La première estimation de la magnitude fut développée en 1935 [4] par Charles Francis Richter pour classer les sismogrammes enregistrés localement en Californie. À l'origine cette échelle est la mesure de l'amplitude en micromètres sur un sismographe de type Wood-Anderson d'un tremblement de terre se situant à 100 km. Cette mesure n'est fiable qu'à très courte distance et est maintenant appelée magnitude locale.

La magnitude dite de Richter se base sur la mesure de l'amplitude maximale des ondes sismiques sur un sismogramme. La magnitude est définie comme le logarithme décimal de cette valeur. Cette définition très générale montre bien le caractère empirique de cette mesure qui dépend d'une part du type de sismomètre et d'autre part du type d'élaboration graphique utilisée pour la réalisation du sismogramme sur lequel se fait la mesure. Cette dernière est aussi très variable d'une station sismique à l'autre car la radiation sismique d'un séisme n'est pas homogène (voir mécanisme au foyer).

La définition originale donnée par Richter en 1935, appelée désormais magnitude locale ou ML, est une échelle logarithmique simple de la forme : représente l'amplitude maximale mesurée sur le sismogramme, est une amplitude de référence correspondant à un séisme de magnitude 0 à 100 km, est la distance épicentrale (km) et est une constante d’étalonnage. Outre l'inhomogénéité de cette équation, marquant encore plus son caractère empirique, les constantes d’étalonnage ( et ) rendent cette définition valable seulement localement. Par exemple, dans la définition originale où l’étalonnage est effectué sur des séismes modérés de la Californie du Sud enregistrés avec un sismographe de type Wood-Anderson, et .

Les magnitudes dites d'ondes mb et MS

L'échelle de Richter étant une mesure locale, une nouvelle magnitude appelée MS ou magnitude des ondes de surface, est introduite en 1936 [5]. Beno Gutenberg et Charles Richter proposent ainsi une magnitude qui se base sur l'amplitude des ondes de surface (en général l'onde de Rayleigh sur la composante verticale du sismogramme) pour des distances télésismiques (distance supérieure à 30° [6]) et pour une période de 20 secondes (période naturelle des sismographes utilisés). Sa formulation est presque identique à la précédente :

est l'amplitude mesurée, est la distance épicentrale exprimée en degré, et sont des constantes d’étalonnage. Cette mesure est toujours utilisée aujourd'hui. Cependant, outre son caractère empirique et le problème de saturation (voir ci-dessous), elle a deux points faibles. Le premier est son inutilité pour les séismes profonds (profondeur supérieure à 100 km) qui ne génèrent pas d'ondes de surface. Le second problème vient du fait que les ondes de surface sont les derniers trains d'onde à arriver. Dans le cadre d'un réseau d'alerte, il est primordial de pouvoir estimer le plus rapidement possible la magnitude du séisme.

La magnitude des ondes de volume noté mb (b pour "body waves") est donc une mesure, introduite en 1956 [7], qui se fait sur le premier train d'onde P et permet une estimation rapide de l'importance du séisme. Sa formulation est dépendante de la période dominante du signal : est l'amplitude maximale mesurée, est la distance épicentrale (toujours en degré) et est la profondeur hypocentrale. est une fonction d’étalonnage dépendant des deux précédents paramètres. En général la période dominante est autour d'une seconde, période minimum des ondes P pour des distances télésismiques (). Une fois de plus, le problème de cette mesure est sa saturation rapide avec la magnitude.

D'autres magnitudes sont employées, surtout à l'échelle locale ou régionale. La magnitude de durée est souvent utilisée pour la micro sismicité et s'obtient comme son nom l'indique en mesurant la durée en seconde du signal sur le sismogramme. Une littérature abondante existe sur les régressions entre ces différentes mesures afin d'essayer de créer des relations de passage de l'une à l'autre. Ceci est toujours un exercice difficile. La disparité de ces mesures, qu'elle soit due au type d'onde, au type de capteur et à sa fréquence propre, à la distance, au type de magnitude utilisé, explique assez facilement la grande variabilité de la mesure de la magnitude d'un séisme dans les heures qui suivent son occurrence.

La magnitude de moment Mw ou M

Article détaillé : Échelle de magnitude de moment.

Pour pallier les limitations des magnitudes mb et MS, Hiroo Kanamori et Thomas Hanks introduisent en 1977 [8] et 1979 [9] une nouvelle magnitude, la magnitude de moment. Bien que moins immédiate à estimer, cette magnitude est directement reliée à une quantité physique, le moment sismique, qui mesure l'énergie émise par le tremblement de terre. Cette magnitude a pour acronyme Mw ou M. Elle est la plus employée de nos jours par les scientifiques.

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