Cours : Sismologie et structure de la Terre

Principe de propagation des ondes sismiques

Pour étudier la structure interne du globe, on a d’abord utilisé l’observation directe avec :

• les coupes naturelles, qui permettent d’observer les 5 premiers kilomètres sous la surface ;
• les forages, qui peuvent être plus profonds, ils peuvent aller jusqu’à $12\ \text{km}$, comme dans la presqu’île de Kola en Laponie.

Même si un forage de $12\ \text{km}$ apparaît comme une prouesse technique, l’observation des $6370\ \text{km}$ de rayon terrestre est limitée. Il reste alors à exploiter l’étude des ondes sismiques produites à la suite d’un séisme.

Définition

Séisme :

Quand des roches en profondeur subissent des contraintes très fortes, il arrive qu’il y ait une cassure que les géologues appellent une rupture. Cette rupture libère brutalement une énergie très forte. Cette énergie produit des ondes qui provoquent le tremblement du sol en surface : c’est le tremblement de terre, autrement dit, un séisme.

Les ondes sismiques P et S

Les séismes sont produits par la propagation de plusieurs ondes qui se propagent dans toutes les directions à partir du foyer.

Les ondes P, comme primaires, sont des ondes de compression-décompression. Elles sont rapides, environ de $8$ à $10\ \text{km}\cdot \text{s}^{-1}$ en fonction de la profondeur, et se propagent dans tous les milieux et tous les états de la matière avec une faible amplitude. Elles provoquent un mouvement de répercussion du sol, et se propagent parallèlement à leur sens de propagation. C’est cette onde qui donne un son très fort comme un coup de canon quand le séisme est proche et profond, et un grondement sourd quand la rupture est plus éloignée.

• Les ondes P sont les premières enregistrées sur les sismographes puisque ce sont les plus rapides.

Les ondes S, comme secondaires, sont des ondes de cisaillement. Leur vitesse est de $3$ à $7\ \text{km}\cdot \text{s}^{-1}$ en fonction de la profondeur. Les ondes S provoquent un mouvement du sol plus important car leur amplitude est modérée. Elles ne se propagent pas dans les fluides, qu’il s’agisse de liquide comme l’eau, ou de gaz comme l’atmosphère, elles sont donc silencieuses.

• Sur les sismographes, les ondes S sont enregistrées après les ondes P.

Les ondes sont mesurées par des sismographes. Grâce à trois enregistreurs, il est possible de déterminer l’épicentre du séisme.

Définition

Épicentre :

L’épicentre est la projection à la surface du sol de la zone de rupture appelée le foyer ou hypocentre.

Le changement de milieu et la propagation des ondes

Au moment de la rupture en profondeur, les ondes se propagent dans toutes les directions à partir du foyer. Elles peuvent être réfractées ou réfléchies si elles rencontrent une surface de discontinuité (soit un changement de milieu), à l’image des rayons lumineux qui traversent des milieux différents.

• Les ondes réfractées sont légèrement déviées de leur trajectoire lorsqu’elles traversent une surface de discontinuité. Elles sont comme l’image du bâton cassé dans l’eau.
• Lorsqu’elles traversent une surface de discontinuité, les ondes réfléchies rebondissent et suivent une trajectoire similaire à l’onde de départ mais avec un angle de réflexion $r$ égal à l’angle d’incidence $i$.

À la suite d’une rupture, les ondes ne traversent pas la Terre de manière linéaire. En effet, les stations sismiques réparties à la surface de la Terre enregistrent les ondes issues d’un séisme et ces données permettent de reconstruire les réfractions et des réflexions qu’elles ont subies.

• Entre les différentes stations où elles apparaissent, les ondes laissent des zones silencieuses appelées les zones d’ombres.

Définition

Zone d’ombre :

Lors d’un séisme la zone d’ombre est la région du globe où l’on n’enregistre aucune onde sismique. Elle est située entre $104$ et $140\degree$ de distance angulaire par rapport à l’épicentre d’un séisme.

• Même si elles se propagent dans tous les milieux, les ondes P sont réfractées par le noyau externe liquide et laissent une surface vide de selon un angle de $40\degree$.
• De la même manière les ondes S sont absorbées par le noyau externe liquide et ne ressortent pas sur une large partie de la surface terrestre.
• On peut supposer que les zones d’ombres sont dues à la présence d’un milieu fluide dans les couches profondes du globe terrestre, à savoir le noyau externe. Ces zones d’ombres permettent également de définir le diamètre du noyau terrestre.

À retenir

Les analyses des données sismiques révèlent que les ondes passent par différents milieux avant d’atteindre la surface.

Organisation en enveloppes concentriques de la Terre

L’étude de la propagation des ondes sismiques et sa compréhension ont permis de mettre en évidence les discontinuités à l’intérieur du globe terrestre. Nous allons maintenant définir les enveloppes qui le composent.

Selon le modèle sismique PREM, la Terre est composée de plusieurs couches aux densités variables.

Définition

Modèle sismique PREM (Preliminary Reference Earth Model) :

Le modèle PREM a été imaginé en 1981 par Dziewonski et Anderson. Il établit de manière théorique les changements de vitesse des ondes sismiques S et P en fonction des discontinuités et de la structure interne du globe. Le modèle PREM découpe la Terre en trois couches : la croûte, le manteau et le noyau.

Le noyau

Le noyau est composé d’une graine solide au centre et d’une enveloppe externe liquide. C’est la discontinuité de Lehmann, à $5100\ \text{km}$ de profondeur, qui scinde les deux parties du noyau. Le noyau et le manteau sont séparés par la discontinuité de Gutenberg. Le noyau est essentiellement composé de nickel et de fer.

Le manteau

Le manteau est composé de deux parties : le manteau inférieur, au contact du noyau, et le manteau supérieur. Sa structure est solide mais, en périphérie du manteau supérieur qui est appelé l’asthénosphère, la structure est ductile.

La croûte

La couche la plus externe du globe est appelée la croûte. On distingue la croûte océanique et la croûte continentale selon plusieurs critères : l’épaisseur, la densité la nature et l’âge des roches.

Les discontinuités

Au sein du globe, on observe trois discontinuités qui marquent des différences de densité entre les couches.

Définition

Discontinuité :

La discontinuité est une zone frontière entre deux couches qui n’ont pas la même densité. Les ondes changent de trajectoire lorsqu’elles passent une discontinuité.

La discontinuité de Mohorovičić appelée aussi le Moho sépare la croûte et le manteau. Elle se situe entre $0$ et $15\ \text{km}$ sous la croûte océanique et entre $30$ et $80\ \text{km}$ sous la croûte continentale. Elle est plus profonde sous les reliefs montagneux.

La discontinuité de Gutenberg se situe entre le manteau et le noyau, à $2900\ \text{km}$ de profondeur.

La discontinuité de Lehmann sépare le noyau externe du noyau interne. Elle se situe à $5100\ \text{km}$.

La lithosphère et l’asthénosphère

Parallèlement aux couches, on sépare aussi deux ensembles : la lithosphère et l’asthénosphère.

• La lithosphère, rigide, repose sur l’asthénosphère qui est ductile, c’est-à-dire qu’elle est déformable.
• La zone de transition entre ces deux ensemble est nommée LVZ c’est-à-dire Low Velocity Zone (ou zone à faible vitesse) car les ondes s’y propagent de manière plus lente à cause de la densité de la matière.

La lithosphère est composée de deux parties : la croûte terrestre et la couche supérieure (rigide) du manteau supérieur. On distingue la lithosphère océanique et la lithosphère continentale, qui est plus épaisse. La lithosphère ne constitue pas un seul bloc mais elle se répartit en plusieurs plaques appelées plaques tectoniques. Ces plaques reposent sur l’asthénosphère. Elles sont mobiles et elles sont animées par un mouvement.

• L’asthénosphère

L’asthénosphère est située sous la lithosphère et constitue la partie inférieure du manteau supérieur qui a une certaine plasticité et une certaine aptitude à la déformation, on dit qu’elle est ductile. Elle mesure environ $600\ \text{km}$ d’épaisseur. Comme la température augmente avec la profondeur cela provoque un mouvement de convection qui entraîne les plaques tectoniques qui « flottent » dessus.