Lettre du Plan Séisme - 1er trimestre 2017, Dossier Le doux son des séismes

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« Antequam terra moveatur, solet mugitus audiri… » disait Sénèque [« Avant que la terre ne soit déplacée, il est généralement un bruit rugissant… »]. De tous temps, les hommes ont entendu des sons accompagner les tremblements de terre, et n’ont pas manqué de les comparer, suivant les époques, au tonnerre, au grondement d’un camion qui passe ou au bruit d’un avion franchissant le mur du son. Qu’y a-t-il à entendre derrière ces ondes acoustiques audibles… et derrière celles qui ne le sont pas ?

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Des observations nombreuses et diversifiées

Que la survenue de tremblements de terre s’accompagne de sons est chose depuis longtemps « entendue », et nombreux sont les témoignages historiques relatant des effets sonores plus ou moins marqués. Ainsi, exposée à de fréquents petits séismes bien audibles, la ville de Moodus située dans l’État américain du Connecticut tire-t-elle par exemple son nom d’un mot indigène signifiant « là où des sons viennent du sol ». Pour nombreux qu’ils soient, ces témoignages demeurent cependant le plus souvent en nombre trop insuffisant pour donner à voir de manière globale les effets sonores de tel ou tel séisme   survenu par le passé.

Bien que les sons ne figurent pas parmi les effets sismiques utilisés pour évaluer l’intensité d’une secousse sismique (au contraire des effets sur les personnes, les objets et les bâtiments), l’essentiel des questionnaires macrosismiques utilisés à ce jour gardent une/des question(s) spécifique(s) liée(s) à la perception de sons : c’est notamment le cas en France avec les questionnaires du Bureau central sismologique français (BCSF?). « Lors d’un séisme  , schématise Antoine Schlupp, deux individus peuvent entendre un grondement, mais l’un peut voir sa vaisselle secouée et le second, le réfrigérateur se déplacer d’un mètre. Ces données visuelles sont nettement plus informatives de l’intensité du séisme   que les données sonores, qui ne permettent pas de graduer les secousses », explique-t-il. Et d’ajouter, « les sons induits par un séisme   représentent pour elles [ndlr. les personnes ayant été témoins d’un séisme  ] un aspect important de leur vécu qu’elles ont besoin de partager ». Ainsi, après un séisme  , les personnes s’expriment naturellement en priorité sur le ressenti des secousses, puis systématiquement sur les sons entendus, voire uniquement sur les bruits, si les vibrations ont été faibles. Pour le chercheur, si la notion sonore était retirée des questionnaires, cela causerait certainement une frustration auprès des témoins qui pourraient pour certains d’entre eux être découragés de faire part de leurs expériences ultérieures. Or, « nous avons besoin de nombreuses déclarations pour comprendre un événement sismique », rappelle M. Schlupp.

Quelles que soient les motivations de ce choix de questionner les individus sur ce qu’ils ont entendu lors de séismes, le résultat est qu’il est désormais possible de se faire une idée assez précise de l’étendue des effets sonores d’un séisme   donné survenant sur le territoire. Ainsi, si le témoignage suivant peut être individuellement considéré comme peu informatif : « J’ai entendu le bruit d’un gros coup de tonnerre ou d’un avion qui passe le mur du son, puis un tremblement et grondement, comme un roulement fort », sa cartographie aux côtés de 2300 autres témoignages similaires permet de visualiser les effets sonores du séisme de La Rochelle du 28 avril 2016 - le plus important survenu dans la région depuis une quarantaine d’années.

Disponibles depuis peu, ces cartes des bruits entendus sont désormais systématiquement accessibles sur le site internet du BCSF (www.franceseisme.fr), aux côtés d’une carte sur les « réactions à la secousse » et d’une autre relative aux « déplacements ou chutes des petits objets ». « Ces cartes servent à la fidélisation de nos témoins : une personne qui n’obtient pas de retours sur les résultats d’une enquête ne témoignera plus », indique Antoine Schlupp, « mais ces informations peuvent ou pourront intéresser les chercheurs travaillant dans d’autres disciplines, comme la propagation du son », ajoute-t-il.

Bien que très précieux, les témoignages ne sont cependant pas suffisants pour tenir compte pleinement de la diversité des sons émis lors de séismes, et les mots peinent souvent à décrire précisément une expérience sonore. À l’instar des sismomètres qui apportent une qualification instrumentale des ondes sismiques, des microphones peuvent également être utilisés pour enregistrer les ondes acoustiques (en l’occurrence « sismo-acoustiques »).

Aussi, bien qu’encore très peu nombreux, les enregistrements audio effectuées pendant les séismes constituent un outil de grande valeur pour étudier ces sons d’origine sismique. Le premier exemple connu de ces enregistrements date de 1954, lorsqu’un enregistrement en cours dans un bâtiment d’une ville de Californie immortalisa, par hasard, les sons produits par un séisme   de magnitude   6.6. De valeur historique certaine, cet enregistrement est cependant difficilement exploitable dans la mesure où l’essentiel des sons captés sont vraisemblablement des craquements du bâtiment lui-même… 21 enregistrements de ce type ont par la suite été compilés par Karl V. Steinbrugge, pour former un catalogue original publié par la prestigieuse Société sismologique américaine (SSA) en 1974, et encore consultable aujourd’hui en ligne.

Les premiers enregistrements non-fortuits, réalisés à l’aide de dispositifs dédiés en dehors de bâtiments susceptibles d’apporter une « pollution sonore » remontent à la fin des années 60’ au Japon, puis au milieu des années 70’ en Californie. Mais ce type d’instrumentation demeure rare. Plus récemment, une équipe de chercheurs français, emmenée par le sismologue Matthieu Sylvander, a publié en 2007 une étude basée sur des enregistrements conjoints d’ondes sismiques et sismo-acoustiques réalisés consécutivement à des petits séismes survenus dans les Pyrénées en 2004 et 2005.

Spectrogrammes (courbes noires) et traces temporelles (figures colorées) d'un signal sismo-acoustique (en haut) et d'un signal sismique enregistrés conjointement suite à un séisme de magnitude 2.7 survenu le 27 novembre 2004 dans les Pyrénées
Spectrogrammes (courbes noires) et traces temporelles (figures colorées) d’un signal sismo-acoustique (en haut) et d’un signal sismique enregistrés conjointement suite à un séisme de magnitude 2.7 survenu le 27 novembre 2004 dans les Pyrénées
Source : figure extraite de l’article de Sylvander et al. publié en 2007 dans la revue scientifique Bulletin of the Seismological Society of America

D’étranges sons tout à fait explicables

Entourés d’un certain mystère, les sons produits par les séismes le sont de manière tout à fait explicable, selon un principe qui peut être présenté en quelques mots : lorsqu’elles atteignent la surface, les ondes sismiques transfèrent une partie de leur énergie sous la forme d’ondes acoustiques, qui sont ensuite transmises dans l’air. Plus particulièrement, ce sont les ondes P qui sont principalement responsables de l’émission d’ondes sismo-acoustiques : les deux types d’ondes en question (P et acoustiques) étant toutes deux des ondes dites « de compression », qui compriment et dilatent alternativement le milieu qu’elles traversent selon la même direction que celle de leur propagation.

Mise en mouvement par les séismes, la surface du sol agit donc en quelque sorte comme la peau d’un tambour, la vibration de cette peau créant des sons par le déplaçant de la masse d’air. Comme face à des enceintes libérant nos notes de musique préférées, ce sont ensuite les règles de l’acoustique qui feront que les sons seront perçus plus ou moins intensément et avec différentes tonalités, et se propageront sur des distances plus ou moins grandes.

Dans les faits, les sons sismiques sont particulièrement graves, ce qui signifie que les ondes sismo-acoustiques comportent des fréquences parmi les plus basses que nos oreilles peuvent distinguer. Mais ces relatives « basses-fréquences » représentent paradoxalement la partie « haute-fréquence » des ondes sismiques, et l’intersection entre les fréquences des ondes sismiques et les ondes « audibles » recouvre une bande assez restreinte comprise entre une vingtaine et une soixantaine d’Hertz. Il s’en est donc fallu de peu pour que cette rencontre acoustique entre l’homme est les séismes ne puisse pas avoir lieu : en effet, si – à l’instar des chauves-souris – l’oreille humaine avait été sensible à des gammes de fréquences plus élevées, nous serions tout simplement sourds aux doux bruits des séismes …

Analogie entre la propagation d'une onde sismique « P » dans le sous-sol, et d'une onde sismo-acoustique dans l'air (ou dans l'eau)
Analogie entre la propagation d’une onde sismique « P » dans le sous-sol, et d’une onde sismo-acoustique dans l’air (ou dans l’eau)
Source : www.planseisme.fr

Conséquence notable du caractère « basse-fréquence » de ces sons sismiques, ceux-ci sont caractérisés par des longueurs d’ondes (distance séparant deux zones de compression/dilatation successives) bien plus importantes que la distance qui sépare nos deux oreilles, ce qui nous rend proprement incapables d’en localiser la provenance dans l’espace …

Bien qu’évoluant dans des registres plutôt « graves », les sons induits par les séismes n’en demeurent pas moins diversifiés, avec deux types de sons principalement reportés. « En général et de façon très simplifiée, un bruit d’explosion est perçu proche de l’épicentre, car la secousse est « courte » (pour un séisme   modéré) et toutes les ondes arrivent en même temps. Quand on s’éloigne, les ondes qui voyagent à des vitesses différentes arrivent en « décalé » donnant cette perception de longueur, alors plus associée à un grondement », indique ainsi Antoine Schlupp. En outre, éloigné de l’épicentre, « le témoin discerne d’autant plus nettement les sons graves (à basse fréquence) qu’ils se propagent mieux que les sons aigus (à haute fréquence) », remarque Rémy Bossu, secrétaire général du Centre sismologique euro-méditerranéen (CSEM?). Citons ici à titre d’exemple la note préliminaire rédigée par le BCSF suite au séisme de Cognac du 24 août 2006 qui indique que, dans la tranche 0-15 km de distance à l’épicentre, 67 % des témoignages rapportent un « bruit d’explosion », et que ce pourcentage chute à 28 % dans la tranche 15-50 km alors que le « _grondement » devient prépondérant (60 % des témoignages).

Par ailleurs, des tonalités moins graves peuvent également être entendues, lorsque les configurations permettent aux ondes sismiques de garder un contenu hautes-fréquences relativement riche : cela est notamment le cas pour des observations effectuées à proximité de l’épicentre, pour des séismes très superficiels, permettant ainsi de limiter la forte atténuation des hautes fréquences qui intervient avec la distance à mesure que les ondes se propagent. Dans certains cas, lorsque les ondes P (les premières à arriver à la surface) sont d’amplitude trop faible pour être ressenties par la population, il est même possible d’entendre un séisme   avant d’en ressentir les secousses.

À noter également qu’aux sons préalablement évoqués, s’ajoutent également des bruits secondaires, comme ceux générés par la dégradation, voire la destruction de bâtiments, de ponts, etc., auquel un phénomène d’écho peut s’additionner en milieu montagneux ou urbain…

Le doux son des séismes vu par Eric Appéré
Le doux son des séismes vu par Eric Appéré
Source : E. Appéré pour planseisme.fr

Que nous disent les sons sur les séismes eux-mêmes ?

Dans une étude datant de 1938, était déjà relevé que plus de 90% des séismes occasionnant des intensités sismiques supérieures ou égale à IV (i.e. séismes largement ressentis) donnaient lieu à l’émission de sons, y compris dans des pays à faible sismicité   tels que la Grande-Bretagne, ce que corroborent les « cartes des bruits entendus » publiées par le BCSF qui mettent en évidence que la perception de sons est fréquente dès l’intensité III (i.e. séismes faiblement ressentis). L’émission d’ondes sismo-acoustiques n’est donc pas l’apanage des séismes les plus puissants, mais ces sons donnent-ils accès à des informations relatives aux caractéristiques du séisme   ?

Partant du postulat que le phénomène d’émission d’ondes sismo-acoustiques est principalement lié au déplacement vertical du sol causé par l’arrivée des ondes P, des chercheurs italiens ont eu l’idée de comparer, pour plusieurs séismes, la géométrie des aires de perception des sons avec celle de l’amplitude théorique des ondes acoustiques générées par les ondes P. Ce faisant, ils ont mis en évidence un bon accord entre les deux types de données, confirmant donc que l’observation des sons « sismiques » peuvent renseigner sur la source sismique elle-même (type de mécanisme notamment), et se révéler utile pour l’étude des séismes anciens pour lesquels existent des témoignages relatifs aux effets sonores.

De même que l’intensité des secousses sismiques est en premier lieu fonction de la magnitude   du séisme   considéré et de la distance du lieu d’observation par rapport à l’épicentre, deux chercheurs français de l’Observatoire Midi-Pyrénées ont pour leur part utilisé des observations collectées dans les Pyrénées pour proposer un modèle permettant de déduire des seuils « d’audibilité » en fonction de la magnitude   et de la distance épicentrale  . Selon ce modèle, un petit séisme   de magnitude   2.0 est susceptible d’être fortement entendu dans un rayon de près 5-7 km autour de l’épicentre, et jusqu’à une centaine de kilomètres à la ronde pour un séisme   de magnitude   4.0. Cependant, ce modèle ne peut pas être directement utilisé n’importe où, dans la mesure où la propagation des ondes sismiques dans le sol peut varier significativement d’une région à l’autre, en fonction de la nature des roches traversées. « Dans les Alpes, les ondes sismiques s’atténuent beaucoup plus vite que dans la région de la Rochelle où les secousses sont donc plus fortes et les sons émis, perçus à plus grande distance de l’épicentre qu’en région alpine » indique ainsi Antoine Schlupp.

Seuils d'audition des ondes sismo-acoustiques en fonction de la magnitude du séisme et de la distance entre le lieu d'observation et l'épicentre, « Up » désignant l'amplitude des ondes P
Seuils d’audition des ondes sismo-acoustiques en fonction de la magnitude du séisme et de la distance entre le lieu d’observation et l’épicentre, « Up » désignant l’amplitude des ondes P
Source :traduction d’une figure extraite de l’article de Sylvander et Mogos publiée en 2005 dans la revue scientifique Bulletin of the Seismological Society of America

Par ailleurs, il n’est pas possible de tirer des conclusions directes quant à l’intensité des secousses sismiques sur la seule base de l’intensité des sons émis par un séisme  , pour la simple raison que des intensités macrosismiques relativement importantes peuvent être produites par le passage d’ondes sismiques au contenu fréquentiel trop bas pour pouvoir émettre des ondes sismo-acoustiques. Ainsi, à grande distance de l’épicentre, les secousses sismiques pourront être encore ressenties violemment cependant que le séisme   sera parfaitement inaudible. A contrario, des ondes sismiques plus riches en « hautes fréquences » et par conséquent au potentiel sonore plus important, ne produiront pas forcement des effets macrosismiques plus marqués. À noter cependant que les sons peuvent contribuer aux faibles niveaux d’intensité macrosismique  , dans la mesure où ils participent du « réveil de dormeurs », qui constitue l’un des paramètres entrant dans la qualification des valeurs d’intensité IV et V selon l’échelle macrosismique européenne EMS?-98.

Si les séismes génèrent des sons dans l’atmosphère, ils en génèrent également dans l’eau. Or l’eau n’atténuant que très peu les sondes acoustiques, elle constitue un milieu très propice à leur propagation. Par ailleurs, en raison de la combinaison entre différents paramètres tels que la température, la pression ou la salinité, la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans les océans à ceci de particulier qu’elle tend d’abord à décroitre avec la profondeur sur plusieurs centaines de mètres, pour ensuite croitre à nouveau, avec une vitesse minimale de propagation observée au voisinage de 1000 mètres de profondeur. Ceci a pour conséquence de « piéger » les ondes acoustiques au sein d’une colonne d’eau appelée « canal SOFAR » (SOund Fixing And Ranging). Ainsi guidées, les ondes acoustiques peuvent se propager à des distances très importantes (lire l’interview).

Des ondes sismo-acoustiques inaudibles… du moins pour l’homme

Pour non-audibles qu’ils soient par des oreilles humaines, les séismes émettent également des infrasons, soit des ondes acoustiques dont la fréquence est inférieure à 20 Hz. Comme souligné précédemment, les ondes acoustiques étant d’autant moins atténuées qu’elles sont riches en basses fréquences, ces infrasons peuvent se propager sur de très grandes distances dans l’atmosphère ou dans les océans, et être encore mesurables à des milliers de kilomètres. D’abord développée pour assurer la surveillance à distance d’éventuels essais nucléaires, leur surveillance peut également permettre de détecter des séismes lointains. C’est ainsi que le gigantesque tremblement de terre   de magnitude   9.0 survenu au large du Japon le 11 mars 2011 a pu être enregistré par les hydrophones d’un navire de recherche de l’Agence américaine d’observation océanique et atmosphérique (National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA) situé au large de l’Alaska, à environ 1500 kilomètres de l’épicentre. « C’était le son le plus fort que nous ayons jamais enregistré », confiait au site Livescience le scientifique Robert Dziak, alors à bord du navire.

A droite : Illustration du phénomène de guidage des ondes accoustiques par le « canal SOFAR »
A droite : Illustration du phénomène de guidage des ondes accoustiques par le « canal SOFAR »
Source : NOAA

Par ailleurs, certains animaux à l’ouïe plus fine que celle de l’espèce humaine sont sensibles à certains de ces infrasons, au point de les mettre en alerte avant même que les secousses sismiques ne soient perceptibles et en l’absence de tout son. Ainsi, après le séisme   de magnitude   9.1 du 26 décembre 2004, des témoins ont relaté que tous les éléphants du parc national de Yala avaient fui la zone littorale bien avant que le séisme   ne soit ressenti et que le tsunami   ne ravage la côte : or, les éléphants sont capables de percevoir des ondes acoustiques très basses fréquences autour d’une vingtaine de Hertz. De là à trouver dans l’observation des animaux un précurseur fiable à la survenue de séismes, il y a encore beaucoup de chemin à parcourir. D’abord parce que, par définition, les ondes sismo-acoustiques sont émises consécutivement à la survenue d’un séisme   et non l’inverse, et d’autre part parce que les comportements animaux varient de manière importante d’un séisme   à l’autre. Ce qui n’empêche pas certains chercheurs de s’intéresser aux ondes sismo-acoustiques provoquées par la micro fracturation des roches avant l’occurrence d’un séisme  , et que pourraient potentiellement ressentir certains animaux…

La musique sismique pour tous

Que certaines ondes sismo-acoustiques ne soient pas perceptibles par l’oreille humaine en raison de leurs trop faibles fréquences ? Qu’à cela ne tienne, il suffit de diffuser les enregistrements en vitesse accélérée, et l’affaire est réglée : le séisme   se fait entendre. La même opération peut également être menée à partir de sismogrammes. Voilà en quelques mots en quoi consiste l’opération de « sonorisation » à laquelle se sont d’abord livrés des chercheurs américains dans les années 50’. L’objectif ? Mettre à profit l’incroyable capacité de nos oreilles à réaliser des analyses spectrales complexes nous permettant par exemple de détecter différents séismes successifs, là où nos yeux auraient peine à le faire en regardant des enregistrements sismiques bruts… La sonorisation d’un sismogramme   enregistré suite au séisme   japonais de Tohoku du 11 mars 2011 a par exemple été réalisée en augmentant la vitesse de lecture de l’enregistrement d’un facteur 100 : son écoute permet de distinguer très distinctement le choc principal qui évoque le passage d’une tempête, puis les nombreuses répliques   qui ressemblent à de petites explosions. « Nous sommes capables de donner vie aux données sismiques en combinant l’information visuelle et auditive sismique », indique Zhigang Peng, professeur à l’institut technologique de Géorgie (USA) à l’origine de cette sonorisation, et qui tient un site internet proposant une rubrique dédiée à cette « musique des séismes ». Ce séisme   a également donné lieu à la sonorisation d’un enregistrement acoustique sous-marin, par l’augmentation de la vitesse de lecture de l’enregistrement d’un facteur 16.

Des chercheurs italiens sonorisent quant à eux des enregistrements sismiques collectés sur les flancs de l’Etna en reproduisant les tonalités d’un piano, dans le but d’essayer de détecter par le son des changements de comportements du volcan (plus de détails sur le site internet du projet).

Cette technique de sonorisation de séismes constitue également un précieux outil éducatif, permettant d’aborder les séismes de manière particulièrement pédagogique et ludique. Ainsi, le service géologique américain (USGS?) proposait ainsi jusqu’à très récemment, sur son site internet, de comprendre par l’écoute de sons les différents paramètres influençant le contenu fréquentiel des ondes sismiques. Selon que la taille de la faille   responsable du séisme  , la nature des roches traversées par les ondes, ou encore la distance à laquelle se trouve l’observateur par rapport à l’épicentre, les sons (et donc les sismogrammes) sont très différents. « Lorsque nous écoutons de la musique, nous entendons un large éventail de fréquences sonores ou de notes, est-il expliqué sur la page internet dédiée à l’écoute des séismes. Lorsque nous ressentons un tremblement de terre  , nous percevons un large éventail de fréquences, mais contrairement à la musique, les notes y sont moins distinctes. »

Des artistes se sont également emparés de cette méthode, pour proposer des expériences musicales pour le moins originales. À la croisée de la science et de l’art, le projet artistique SOS (pour « Sounds of Seismic ») publie par exemple sur son site internet (http://sos.allshookup.org) des séismes « sonorisés », et vise également à générer des sons en temps réel en utilisant des enregistrements sismiques continus réalisés par des instituts de surveillance sismique.
SOS
Chercheur à l’USGS, Andrew Michael a pour sa part utilisé les ressources audio éducatives proposées sur le site internet de l’organisme américain pour proposer une composition musicale contemporaine associant des sismogrammes sonorisés, avec des instruments et du chant, dans une composition intitulée « Quartet séisme   n°1, pour voix, trombone, violoncelle et sismogrammes ». L’auteur indique pour sa part que « les auditeurs peuvent reconnaître que l’un des thèmes de la deuxième section est une citation rythmiquement déformée de l’Allemande, de la deuxième suite de J.S. Bach pour Violoncelle seul » : le lecteur pourra juger par lui-même… Deux autre Américains - Loos et Scherbaum -, avaient quant à eux sorti un CD en 1999 intitulé « Intérieur de la Terre, une symphonie sismosonique », qui reposaient sur de multiples méthodes de sonorisations de sismogrammes.

En France, à l’occasion de l’exposition « Continuum » qui s’est tenue près de Poitiers en 2012, l’association Les Petits Débrouillards avait proposé à des élèves de découvrir l’installation de deux artistes spécialisés dans la représentation artistique des phénomènes naturels, Cécile Beau et Nicolas Montgermont. « Pour réaliser notre œuvre ’’Sillage’’, nous avons recueilli des données sismiques auprès de l’Institut de physique du globe de Paris sur un important tremblement de terre   au Chili datant de 2008 », précise ce dernier. Le dispositif présentait une surface aquatique se reflétant dans une cartographie murale du lieu du séisme  , situé dans la Cordillère des Andes. À chaque son émis, l’eau et la carte se troublaient afin de reproduire la propagation des ondes sismiques sur le globe.

Pour aller plus loin

planseisme picto 17 pointi - Collection d’enregistrements audio de séismes de la société sismologique américaine
- Vidéo de la NOAA montrant la focalisation d’ondes sismo-acoustiques sous-marines au sein du « canal SOFAR »
- Présentation vidéo de l’exposition artistique Continuum
- Voyage dans les paysages sonores sous-marins avec Jean-Yves Royer, lors d’une conférence donnée