Fiche de révision : 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 et les **forages, mais on ne peut aller que jusqu’à $12\ \text{km}$.
• Il reste alors à exploiter l’étude des ondes sismiques produites à la suite d’un séisme.
• Quand des roches en profondeur subissent de fortes contraintes, il arrive qu’il y ait une rupture qui libère brutalement une énergie très forte. Cette énergie produit des ondes qui provoquent le tremblement du sol en surface : c’est un séisme.
• 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 parallèlement à leur sens de propagation.
• 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.
• Les ondes sont mesurées par des sismographes. Grâce à trois enregistreurs, il est possible de déterminer l’épicentre du séisme.
• 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.
• 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 $i$.
• 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.
• 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.

Organisation en enveloppes concentriques de la Terre

• 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 est composé d’une graine solide au centre et d’une enveloppe externe liquide, il est essentiellement composé de nickel et de fer.
• 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 zone de transition entre les deux manteaux 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 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.
• Une 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.
• Enfin, c’est la discontinuité de Lehmann, à $5100\ \text{km}$ de profondeur, qui scinde les deux parties du noyau.
• 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 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.
• 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.