Tout comme les ponts et les gratte-ciel, les grandes montagnes oscillent. Une équipe de recherche internationale a mesuré la fréquence de résonance du Cervin et la rend visible grâce à des simulations informatiques.
Pour nous, le Cervin est ce sommet immuable et massif qui trône dans le paysage depuis des milliers d’années au-dessus de Zermatt. Une étude qui vient d’être publiée dans la revue spécialisée « Earth and Planetary Science Letters » montre toutefois que cette impression est trompeuse. Une équipe internationale de chercheurs a démontré que le Cervin est constamment en mouvement : la cime oscille de quelques nanomètres à quelques micromètres en un peu plus de deux secondes, stimulée par les ondes sismiques du sol générées par des sources naturelles telles que les marées, la houle marine, le vent et les tremblements de terre, ou par l’activité humaine.
Chaque objet, à l’instar d’un diapason ou des cordes d’une guitare, vibre à certaines fréquences lorsqu’il est excité. On appelle celles-ci les fréquences propres et elles dépendent en premier lieu de la géométrie de l’objet et des caractéristiques de son matériau. Ce phénomène concerne également les ponts, les gratte-ciel et même les montagnes. « Nous voulions savoir si de telles oscillations pouvaient être détectées sur un sommet élevé comme le Cervin », explique Samuel Weber, qui a mené cette étude pendant un postdoctorat à l’Université technique de Munich (TUM) et qui travaille maintenant au WSL Institut pour l’étude de la neige et des avalanches SLF. Il souligne l’importance pour la réussite de ce projet de la collaboration interdisciplinaire avec des chercheurs du Service Sismologique Suisse à l’ETH de Zurich, de l’Institut d’informatique technique et des réseaux de communication de l’ETH de Zurich ainsi que du Geohazards Research Group de l’Université de l’Utah (États-Unis).
Des dispositifs de mesure à haute altitude
Pour cette étude, les scientifiques ont installé plusieurs sismomètres au Cervin, l’un directement au sommet à 4470 mètres d’altitude et l’autre au bivouac Solvay, un abri de fortune situé sur l’arête nord-est, plus connue sous le nom de Hörnligrat. Une station supplémentaire, localisée au pied de la montagne, a servi de référence. La grande expérience de Jan Beutel (ETH Zurich/Université d’Innsbruck) et de Samuel Weber concernant les appareils de mesure des mouvements rocheux en haute montagne a aidé l’équipe à mettre en place ce réseau. Aujourd’hui, les données sont transmises automatiquement au service sismologique et soumises à des analyses spécifiques.
Les sismomètres ont enregistré à haute résolution tous les mouvements de la montagne. En multipliant leur fréquence par 80, ces vibrations ont été rendues audibles pour l’oreille humaine (Exemple sonore 1 vibration de fond, Exemple sonore 2 tremblement de terre). À partir des données, l’équipe a déduit la fréquence et la direction des oscillations de résonance. Les mesures montrent que le Cervin se balance à une fréquence de 0,43 hertz approximativement dans la direction nord-sud et à une seconde fréquence similaire dans la direction est-ouest (voir l’animation ci-dessous).
Renforcement des vibrations au sommet
Par rapport à la station de référence située en bas du versant, les mouvements mesurés au sommet étaient jusqu’à 14 fois plus importants que l’agitation sismique à son pied, mais ne représentaient cependant que quelques nanomètres à micromètres. L’amplification des mouvements avec l’altitude s’explique par le fait que le sommet peut osciller librement, alors que le pied de la montagne est fixe. La situation est comparable à celle d’un arbre, dont la couronne bouge plus que le tronc un jour de grand vent. Des amplifications du mouvement du sol au Cervin ont également pu être mesurées pendant des séismes. L’analyse des excitations sismiques est ainsi utilisée pour évaluer le comportement et les instabilités des roches sur les pentes lors de tremblements de terre. Jeff Moore de l’Université de l’Utah, qui a entrepris l’étude sur le Cervin, explique: «Nous pensons que les zones où les vibrations du sol sont amplifiées pourraient être plus vulnérables aux glissements de terrain et aux éboulements quand la montagne est secouée par un tremblement de terre.»
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| Oscillations propres du Cervin excitées par les mouvements du sous-sol : le mode 1 oscille à 0,43 hertz dans la direction nord-sud (à gauche), le mode 2 à 0,46 hertz dans la direction ouest-est. Dans cette simulation informatique, la déviation est fortement exagérée. | |
Ce phénomène n’est pas propre au Cervin. Il est bien connu que de nombreuses montagnes oscillent de la même manière. Les chercheurs du service sismologique ont effectué des mesures comparatives au Grand Mythen. Ce sommet de Suisse centrale a une forme similaire à celle du Cervin, mais il est nettement plus modeste. Comme prévu, le Grand Mythen vibre environ 4 fois plus vite que le Cervin, car les objets plus petits oscillent en principe à des fréquences plus élevées. Les chercheurs de l’université de l’Utah ont simulé sur ordinateur les vibrations de résonance du Cervin et ont ainsi pu les rendre visibles. Jusqu’à présent, les scientifiques américains avaient surtout étudié des objets de petite taille, notamment les arches rocheuses du parc national des Arches dans l’Utah. «C’était passionnant de voir que nos simulations fonctionnent aussi pour une grande montagne comme le Cervin, ce que confirment les résultats des mesures», conclut Jeff Moore.
Contact
Prof. Jeff Moore
University of Utah
jeff.moore(at)utah.edu
+1-801 -5 85- 04 91
Prof. Donat Fäh
Schweizerischer Erdbebendienst, ETH Zürich
donat.faeh(at)sed.ethz.ch
+41 44 63 3 2 6 58
Prof. Jan Beutel
Universität Innsbruck
jan.beutel(at)uibk.ac.at
+43 512 50 7 5 34 43
Liens
Weber, S.; Beutel, J.; Häusler, M.; Geimer, P.R.; Fäh, D.; Moore, J.R., 2021: Spectral amplification of ground motion linked to resonance of large-scale mountain landforms. Earth and Planetary Science Letters, doi: 10.1016/j.epsl.2021.117295
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