Lorsqu'un séisme est déclenché, un front d'ondes sismiques se propage dans la croûte terrestre. On nomme foyer le lieu dans le plan de faille où se produit réellement le séisme, alors que l'épicentre désigne le point à la surface terrestre à la verticale du foyer.

1. Les différents types d'ondes

On distingue deux grands types d'ondes émises par un séisme:

1. les ondes de fond, celles qui se propagent à l'intérieur de la terre et qui comprennent les ondes S et les ondes P,
2. et les ondes de surface, celles qui ne se propagent qu'en surface et qui comprennent les ondes de Love et de Rayleigh.

Les ondes P sont des ondes de compression assimilables aux ondes sonores et qui se propagent dans tous les états de la matière. Les particules se déplacent selon un mouvement avant-arrière dans la direction de la propagation de l'onde.

Les ondes S sont des ondes de cisaillement qui ne se propagent que dans les solides. Les particules oscillent dans un plan vertical, à angle droit par rapport à la direction de propagation de l'onde.

Les ondes de Love ou ondes L sont des ondes de cisaillement, comme les ondes S, mais qui oscillent dans un plan horizontal. Elles impriment au sol un mouvement de vibration latéral.

Les ondes de Rayleigh sont assimilables à une vague; les particules du sol se déplacent selon une ellipse, créant une véritable vague qui affecte le sol lors des grands tremblements de terre.

En resumé :

• les ondes de compression déplacent les particules dans la direction de leur progression (mouvement d'aller-retour)
• les ondes de cisaillement déplacent les particules dans une direction perpendiculaire à leur progression (si l'onde se déplace horizontalement, mouvement vertical ou mouvement horizontal perpendiculaire au déplacement)
• les ondes de surface ont un mouvement très complexe

2. Caractéristiques des ondes

La vitesse des différents types d'ondes constitue un premier élément. En effet, chaque type d'onde se propage à une vitesse qui lui est propre.

• Les ondes de compression sont les plus rapides: pour cela, elles sont connues sous le nom d'ondes P (premières) ; leur vitesse est fonction croissante de la distance parcourue (plus l'on se situe loin du foyer d'émission de l'onde, plus la vitesse à laquelle l'onde a parcouru la distance nécessaire à nous atteindre sera grande).
• Les ondes de cisaillement arrivent ensuite : elles sont ainsi connues sous le nom d'ondes S (secondes) ; leur vitesse est également fonction croissante de la distance parcourue quoiqu'elles soient moins rapides que les ondes P ; le rapport de la vitesse des ondes P par rapport à la vitesse des ondes S est d'environ 1, 7. Grâce à cette première information concrète, nous pouvons facilement connaître la distance du foyer d'un séisme en calculant l'écart de temps entre la réception des ondes P et celle des ondes S; de plus, en ayant trois stations réceptrices situées en trois endroits suffisamment espacés, nous pouvons déterminer la position exacte du foyer et de l'épicentre d'un séisme.
• Les ondes de surface ou ondes L se propagent, elles, à vitesse constante.

Nous avons vu que les ondes P et les ondes S ont une vitesse croissante ave la distance parcourue. Nous avons vu également que les ondes L ont une vitesse constante. Nous savons d'autre part (grâce à des expériences antérieures) que la vitesse d'une onde quelconque est fonction de la nature et de la densité du milieu dans lequel elle se propage. Nous pouvons donc en conclure que les ondes L ont voyagé dans un milieu unique et possédant les mêmes caractéristiques entre le lieu de naissance de ces ondes et le lieu de leur réception. Il s'agit en effet d'ondes de surface. En revanche, nous prouvons ainsi que les ondes P et les ondes S ont changé de milieu une ou plusieurs fois. Comme la Terre est sphérique, nous concluons que ces ondes ont rencontré en profondeur un ou plusieurs milieux différents. Leur vitesse étant croissante en fonction la distance parcourue, nous déterminons que ces ondes ont voyagé dans un milieu sans doute plus dense et tout au moins très différent de celui dans lequel les ondes L se propagent (la surface).

3. La propagation des ondes sismiques

Nous pouvons maintenant étudier la propagation même des ondes dans les milieux qu'elles traversent. Lorsqu'une onde P ou une onde S rencontrent une discontinuité (un changement de milieu), elles peuvent donner naissance à quatre ondes : deux ondes P - une réfléchie et une réfractée - et deux ondes S - une réfléchie et une réfractée -. Cependant comme la plus grande partie de l'énergie transportée par l'onde incidente (celle qui arrive) est transmise aux ondes - réfléchie et réfractée - du même type, il y a parfois disparition d'une ou deux des ondes résultantes. Néanmoins, ceci montre la complexité de l'étude d'un sismographe qui a enregistré toutes ces ondes. Et ceci montre aussi la quantité d'information disponible grâce à ces ondes sismiques.

Sous la surface de la Terre, le milieu de propagation des ondes n'est pas homogène : sa densité augmente. Ceci explique le déplacement des ondes car à chaque changement de milieu, il y une petite modification de la trajectoire des ondes selon les lois de Descartes.

• l'angle de réflexion (i2) que dessine l'onde réfléchie par rapport à une " verticale " est égal à l'angle d'incidence (i1) que dessine l'onde d'arrivée par rapport à cette même " verticale ", i1 = i2
• l'angle de réfraction (r) que dessine l'onde réfractée par rapport à une " verticale " n'est pas égal à l'angle d'incidence (i) que dessine l'onde d'arrivée par rapport à cette même " verticale ", il suit la loi : n1 x sin(i) = n2 x sin(r) où n1 et n2 sont les indices de réfraction des différents milieux, indices qui sont fortement liés à la densité des milieux

Ainsi, la progression de l'onde réfractée dans des milieux de densité croissante se fait, approximativement, sous la forme d'une courbe et il arrive un moment où, lorsque la trajectoire de l'onde est devenue presque parallèle à la ligne de changement de milieu (c'est-à-dire, pour simplifier, lorsque la trajectoire de l'onde, à la suite des diverses réfractions, est devenue presque horizontale), il y a réflexion totale : l'onde est intégralement réfléchie et repart vers la surface de la Terre.

C'est ainsi que les sismomètres enregistrent les ondes P et S qui reviennent à la surface après avoir été réfléchies totalement et avoir traversé des milieux plus denses où leur vitesse était plus rapide qu'à la surface. De ce fait, il est possible de déterminer les densités des milieux traversés ainsi que les discontinuité entre les milieux de différente nature.

D'autre part, on a pu constater grâce à des expériences que les ondes P se propagent dans tous les milieux tandis que les ondes S ne se propagent que dans les milieux solides. Or, les sismomètres situés suffisamment loin du foyer d'un séisme enregistrent les ondes P si elles parviennent jusqu'à eux mais n'enregistrent jamais d'ondes S. Nous pouvons en conclure qu'il existe, suffisamment en profondeur pour ne pas affecter les ondes S à proximité du foyer, un milieu qui se comporte comme un liquide.