1SPE La structure interne du globe

THEME : La structure du globe

I Les apports de la sismologie, élucider la structure interne du globe

M.MAYANS- Lycée Beaussier-La Seyne Sur Mer

Depuis Aristote, philosophes, érudits, savants, puis géologues et géophysiciens se sont interrogés à de nombreuses reprises sur la nature et la composition du globe terrestre. Feux intérieurs, vastes cavités, gigantesque sphère aqueuse, et plus récemment réservoirs de magma en fusion et modèles multicouches les plus variés, l'histoire est riche de spéculations parfois audacieuses sur les profondeurs de la Terre. A partir du XIXième siècle, l'étude des séismes et de la propagations des ondes sismiques va permettre d'élucider la structure interne du globe : Voyage au centre de la Terre…

La science, mon garçon, est faite d'erreurs, mais d'erreurs qu'il est bon de commettre, car elles mènent peu à peu à la vérité".

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1. Etudes sismiques : le principe

• Les séismes
• Les différentes ondes

2. Les débuts de la sismologie : la structure profonde

• rappels : lois de Snell-Descartes
• Une variation de la vitesse
• Mise en évidence d'une zone d'ombre

3. La structure superficielle

• Le MOHO
• Exercice

4. Vers le modèle PREM

• Lithosphère/Asthénosphère
• Le modèle PREM
• Les etudes géo thermiques

Index

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1. Etudes sismiques : Le principe

Un séisme correspond à une rupture de contraintes avec libération d’énergie sous formes d’ondes

Les ondes se déplacent dans toutes les directions à partir du foyer* du séisme (rais sismiques)

Elles peuvent être enregistrées par des sismographes, sous forme de sismogrammes

Modèle analogique

Ce sont ces ondes qui sont responsables des vibrations du sol et donc des dégats occasionés par les séismes

La magnitude évalue l'intensité du séisme, elle est graduée sur l'échelle de Richter

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On enregistre 3 types d’ondes :

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Les ondes sismiques présentent un intérêt majeur en géologie. A l'image du stéthoscope qu'un médecin utilise pour écouter l'activité des organes internes d'un patient, ou de l'échographie, l'enregistrement des ondes de volume qui se déplacent dans toutes les directions, par le maillage très dense des réseaux de sismomètre permet de pénétrer dans l'intimité profonde de notre planète, un domaine par ailleurs inaccessible de façon directe. Les variations de vitesse de déplacement des ondes vont représenter un indicateur précis des milieux traversés

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2. Les débuts de la sismologie : la structure profonde

a) L'après midi du 17 avril 1889, le pendule installé à Podsdam au nord de Berlin, va enregistrer un mouvement important. Sensiblement au même moment, un deuxième instrument à Wilhelmshafen enregistrait lui aussi un mouvement inhabituel.Deux mois plus tard, suite à une note paru dans la revue Nature à propos d'un séisme important au Japon, von Rebeur-Paschwitz a compris que les ondes crées par ce séisme avait été enregistrées sur ses instruments en Allemagne, à des milliers de kilomètres du Japon. C'était la première fois, qu'on enregistrait les ondes issues d'un séisme lointain. C'est indiscutablement le début de la sismologie "moderne".

"Maintenant, Axel, s'écria le professeur d'une voix enthousiaste. Nous allons nous enfoncer véritablement dans les entrailles du globe. Voici donc le moment précis auquel notre voyage commence."

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Rappels : loi de Snell-Descartes

Les lois de Snell-Descartes décrivent le comportement de la lumière à l'interface de deux milieux. Avec la propagation rectiligne de la lumière dans les milieux homogènes et isotropes, ces lois sont à la base de l'optique géométrique. Ces lois sont au nombre de deux, une pour la réflexion et une pour la réfraction.

reflexion

Les angles incident et réfléchi sont égaux en valeur absolue, soit i1 = r

refraction

les angles incident et réfracté sont liés par la relation : n1.sin(i1) = n2.sin(i2)

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b) Vers 1908, on considère que la Terre est un milieu solide et homogène. La vitesse des ondes serait constante en fonction de la profondeur. (Hypothèse A)

Mais si on considère au minimum que la densité augmente avec la profondeur, la vitesse augmenterait avec la profondeur. les vitesses effectivement mésurées montre que la terre est donc entièrement solide mais les rais sismiques sont incurvés. (Hypothèse B)

Les premiers enregistrements permettent de valider cette hypothèse et de construire un premier modèle La propagation des ondes sismique est donc la suivante (modèle de Knott) ci-contre

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c) Mais en 1906 Gutenberg avait remarqué que lorsque les stations d'enregistrement sont situées entre 11500 km et 14500 km (104° et 142° de distance angulaire) de l’épicentre, on observe une zone d’ombre sismique caractérisée par une réception des ondes P et S anormale.

Zone d'ombre des ondes P

TP1

Zone d'ombre des ondes P (peu nombreuses et retardées) et S

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3. La structure superficielle.

En 1909, le croate Andrija Mohorovicic travaille sur un jeu complet de sismogrammes après le séisme de Zagreb : Il remarque que des ondes arrivent aux stations d’enregistrement entre les ondes P et les ondes S : ce sont des ondes P !

D'autres enregistrements montrent des ondes P, PLUS RAPIDES (Pn) !!!!

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propagation des ondes sismiques

propagation des ondes sismiques et MOHO

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Application : calculer la profondeur du MOHO

Solution

Profondeur Moho :

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4. Vers le modèle PREM : Preliminary Reference Earth Model

Ce modèle à symétrie sphérique de la Terre a été publié par Dziewonski et Anderson en 1981. Il est fondé sur l'évolution de la vitesse des ondes sismiques jusqu'au centre de la Terre. Il permet de connaître l'état physique des matériaux traversés et d'établir les variations de la masse volumique en fonction de la profondeur. Cette dernière permet ensuite de calculer la pression en fonction de la profondeur. Il ne devait constituer qu’une étape vers un modèle définitif. Finalement, il a franchi l’épreuve du temps en demeurant la référence pour nombre de scientifiques.

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a) Lithosphère/asthénosphère,

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b) Le modèle PREM

On revoit tout -->

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Thank you!

c) L’étude du géotherme précise le modèle (voir plus loin dans le cours)

Le gradient géothermique moyen : 3°C par 100 m

La T° ET la pression conditionnent

• l'état (solide liquide)
• le comportement (cassant, ± déformables)

des roches.

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conduction

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