Observation et origine du signal d'élastogravité précédant les ondes sismiques directes. La carte montre l'emplacement des sismomètres (triangles) détectant les signaux rapides juste après le début du tremblement de terre de Tohoku (Japon, 11 mars 2011, magnitude 9.1), indiqué par l'étoile noire. Nous nous concentrons ici sur l'une des stations (MDJ), situé dans le nord-est de la Chine, A 1280 km du tremblement de terre de Tohoku. A de telles distances, les ondes sismiques directes arrivent environ 165 s après le début du séisme, comme le montre l'encart reproduisant le sismogramme vertical MDJ. Cependant, un clair, même si beaucoup plus faible, le signal d'accélération est détecté par le sismomètre avant l'arrivée des ondes directes. L'origine d'un tel signal peut être comprise en considérant un temps après le début du séisme mais avant l'arrivée des ondes sismiques directes. Par exemple, environ 55 s après l'heure d'origine, les ondes directes se sont propagées à l'intérieur du volume indiqué par la zone grise, mais sont encore loin d'arriver à la station MDJ. Cependant, à l'intérieur de ce volume, les ondes sismiques ont provoqué des compressions et des dilatations du milieu (comme indiqué plus en détail dans la coupe du bas), et la contribution globale de tous ces éléments dont la masse a changé donne lieu à une perturbation de la gravité, immédiatement détecté par le sismomètre (effet direct). Le champ gravitationnel est également modifié partout sur la Terre, et chacun des éléments affectés par ces perturbations est une source secondaire d'ondes sismiques (effet induit). Dans le volume vert autour du sismomètre, ce champ d'ondes sismiques secondaire arrive avant les ondes directes. Le sismomètre enregistre donc un signal d'élastogravité prompt, en raison des effets directs et induits des perturbations gravitationnelles. Crédit :IPGP, 2017
Après un tremblement de terre, il existe une perturbation gravitationnelle instantanée qui pourrait être enregistrée avant les ondes sismiques que les sismologues peuvent détecter. Dans une étude publiée dans Science le 1er décembre 2017, une équipe composée de chercheurs du CNRS, IPGP, l'Université Paris Diderot et la Caltech ont réussi à observer ces signaux faibles liés à la gravité et à comprendre d'où ils viennent. Parce qu'ils sont sensibles à la magnitude des séismes, ces signaux peuvent jouer un rôle important dans l'identification précoce de l'occurrence d'un séisme majeur.
Ce travail est né de l'interaction entre des sismologues qui voulaient mieux comprendre les séismes et des physiciens qui développaient des mesures de gravité fine en vue de détecter les ondes gravitationnelles. Les tremblements de terre modifient brutalement l'équilibre des forces sur Terre et émettent des ondes sismiques dont les conséquences peuvent être dévastatrices. Mais ces mêmes ondes perturbent aussi le champ de gravité terrestre, qui produit un signal différent. Ceci est particulièrement intéressant en vue d'une quantification rapide des tremblements, car il se déplace à la vitesse de la lumière, contrairement aux ondes de tremblement, qui se propagent à des vitesses comprises entre 3 et 10 km/s. Ainsi, les sismomètres d'une station située à 1000 km de l'épicentre peuvent potentiellement détecter ce signal plus de deux minutes avant l'arrivée des ondes sismiques.
Le travail présenté ici fait suite à une édition 2016 (J.-P. Montagner et al., Nat. Commun . 7, 13349 (2016)) qui a démontré ce signal pour la première fois. D'abord, les scientifiques ont observé ces signaux sur les données d'une dizaine de sismomètres situés entre 500 et 3000 km de l'épicentre du séisme japonais de 2011 (magnitude 9,1). De leurs observations, les chercheurs ont alors démontré que ces signaux étaient dus à deux effets. Le premier est le changement de gravité qui se produit à l'emplacement du sismomètre, qui modifie la position d'équilibre de la masse de l'instrument. Le deuxième effet, ce qui est indirect, est dû au changement de gravité partout sur Terre, ce qui perturbe l'équilibre des forces et produit de nouvelles ondes sismiques qui atteindront le sismomètre.
Compte tenu de ces deux effets, les chercheurs ont montré que ce signal lié à la gravité est très sensible à la magnitude du séisme, ce qui en fait un bon candidat pour quantifier rapidement la magnitude des forts séismes. Le futur défi est d'exploiter ce signal pour des magnitudes inférieures à environ huit à 8,5, car en dessous de ce seuil, le signal est trop faible par rapport au bruit sismique émis naturellement par la Terre, et le dissocier de ce bruit est compliqué. Les chercheurs prévoient donc de tester plusieurs technologies, dont certains inspirés d'instruments développés pour détecter les ondes gravitationnelles.
