Première spé Distanciel - Structure interne globe terrestre

A la découverte de la structure interne du globe terrestre

Une création de M. MARGERY

Objectif: A travers les différentes étapes de ce genially, complétez les informations manquantes de votre schéma bilan de la structure interne de la Terre

N'oubliez pas de prendre des notes au fur et à mesure des étapes, dans votre cahier / classeur

A la découverte de la structure interne du globe terrestre

Première étape: comprendre l'effet des variations de densité des roches sur la vitesse de propagation des ondes sismiques

Première étape: comprendre l'effet des variations de densité des roches sur la vitesse de propagation des ondes sismiques

Il est possible d'évaluer la vitesse de propagation des ondes sismiques dans différentes roches grâce à un dispositif expérimental : des capteurs sont disposés sur des barres de roches et reliés à un logiciel de traitement du son (ex: Audacity).

Vous avez compris le principe de l'expérience?Vous pouvez passer aux résultats obtenus

Première étape: comprendre l'effet des variations de densité des roches sur la vitesse de propagation des ondes sismiques

Résultats obtenus

Première étape: comprendre l'effet des variations de densité des roches sur la vitesse de propagation des ondes sismiques

Complétez la phrase suivante :

La vitesse de propagation des ondes sismiques quand la densité d'une roche augmente.

VALIDER

A la découverte de la structure interne du globe terrestre

Première étape: comprendre l'effet des variations de densité des roches sur la vitesse de propagation des ondes sismiques

Deuxième étape: une discontinuité entre la croûte et le manteau

Deuxième étape: une discontinuité entre la croûte et le manteau

En 1909, à la suite d'un séisme au sud de Zagreb, Mohorovicic, géophysicien croate, fait une observation étonnante. En comparant les enregistrement réalisés dans différentes stations avec sismographes, il constate qu'à partir d'une certaine distance du foyer, 2 trains d'ondes P se succèdent, l'un des 2 arrivant plus tôt que la vitesse moyenne des ondes P dans la croûte. Il en déduit que les 2 trains d'ondes ont suivi des trajets différents:

• certaines ondes ont suivi un trajet direct dans la croûte (ondes Pg)
• d'autres, en s'enfonçant dans la croûtre, ont atteint un milieu différent où elles ont été accélérées avant de regagner la surface (ondes Pn). Elles ont ainsi pu arriver avant les ondes directes Pg.

Il a ainsi mis en évidence la présence d'une discontinuité entre la croûte et le manteau, appellée Moho.

Deuxième étape: une discontinuité entre la croûte et le manteau

Mohorovicic a donc mis en évidence qu'il existe une discontinuité à la base de la croûte, entre la croûte et le manteau. Quelle est la profondeur de cette discontinuité (= le Moho)? Quelle est la composition du manteau?

Deuxième étape: une discontinuité entre la croûte et le manteau

I. Quelle est la profondeur du Moho?

La profondeur du Moho sous la croûte océanique est d'environ:

2,5 kms

25 kms

Compris entre 30 et 65 kms

7 kms

La profondeur du Moho sous la croûte continentale est d'environ:

2,5 kms

25 kms

Compris entre 30 et 65 kms

7 kms

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Deuxième étape: une discontinuité entre la croûte et le manteau

II. Quelle est la composition du manteau?

Il est assez fréquent de trouver dans les roches volcaniques issues de magma d'origine profonde, des morceaux d'une roche grenue, principalement constituée de cristaux de pyroxène et d'olivine. Cette roche, appelée péridotite, a une densité de 3,3 , ce qui permet une vitesse de propagation des ondes P comprise entre 7,8 et 8,4 km/s.

Consigne: Placez les flèches vertes ci-dessous, dans la zone composée de péridotite sur le graphique (n'oubliez pas de cliquer sur "vérification"):

Echantillon de péridotite observée à l'oeil nu

Pour le domaine continental

Pour le domaine océanique

Deuxième étape: une discontinuité entre la croûte et le manteau

Compléter votre schéma bilan de la structure interne de la Terre avec les éléments suivants

A la découverte de la structure interne du globe terrestre

Première étape: comprendre l'effet des variations de densité des roches sur la vitesse de propagation des ondes sismiques

Deuxième étape: une discontinuité entre la croûte et le manteau

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

Lors d'un séisme, on enregistre l'arrivée des ondes sismiques P et S sur l'ensemble de la surface du globe, à l'exception d'une "zone d'ombre sismique" dans laquelle aucun onde directe n'est enregistrée. Pour les ondes P, la zone d'ombre est située à une distance comprise entre 11 500 kms et 14 500 kms de l'épicentre, soit une distance angulaire de 105 à 143°. Pour les ondes S, aucune onde n'est enregistrées dans les régions situées à plus de 11 500 kms de l'épicentre (distance angulaire supérieure à 105°)

Ce phénomène a été observée lors du séisme de Fukushima (E) au Japon le 11 mars 2011 (ayant entrainé un tsunami et l'accident nucléaire de Fuskushima)

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

La zone d'ombre sismique est due à une discontinuité profonde dans le globe terrestre, nommée discontinuité de Gutenberg. C'est cette discontinuité qui définit la limite entre le manteau et le noyau supérieur

Gutenberg

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

Nous cherchons à définir:

• la profondeur de la discontinuité de Gutenberg (zone d'ombre des ondes P)
• pourquoi les ondes S disparaissent au delà de 105° de distance angulaire

Pour cela, vous allez utiliser un logiciel de modélisation : "Tectoglob3D"

Pour accéder au logiciel en ligne - CLIC

Fiche technique du logiciel tectoglob3D - CLIC

Marche à suivre

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

I. Définir la profondeur de la discontinuité de Gutenberg

1. Ouvrez le logiciel Tectoglob3D

2. Cliquez sur "fichier" -> "charger un jeu de sismogrammes intégré" -> "Pérou / Equateur 2019"

3. Dans la fenêtre de résultats (à droite), repérez la date, la magnitude et la profondeur du foyer sismique

4. Cliquez sur "sismogrammes" -> "afficher le temps d'arrivée des ondes" S'affiche alors pour chacun des sismogrammes de la fenêtre des résultats, un marqueur de l'arrivée des ondes P, S et L A noter: les ondes PKIKP sont des ondes P "indirectes"

5. Dans la fenêtre de résultats (à droite), observez tous les sismogrammes Sur certain(s) sismogramme(s) on observe pas d'arrivée des ondes P (directes et indirectes):

• pour quelles station(s)?
• même observation pour les ondes S: pour quelles stations?

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

Dans quelle(s) station(s) sismique(s) n'observe t'on pas d'ondes P (directes et indirectes)?

Dans quelles stations sismiques n'observe t'on pas d'ondes S?

KOUNC

ANWB

KOUNC

ANWB

RPN

COCO

RPN

COCO

ANMO

KOM

ANMO

KOM

CALF

CALF

VALIDER

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

I. Définir la profondeur de la discontinuité de Gutenberg

Nous allons à présent utiliser une fonctionnalité du logiciel permettant de voir le parcours des ondes sismiques à travers le globe, à partir du foyer du séisme.

6. Cliquez sur "sismogrammes" -> "projeter les stations sur une coupe du globe" Par défaut, les ondes (rais) sélectionnés sont les ondes P (Cf. cadre "réglages / paramètres" en bas à gauche de l'écran) Vous observez donc le parcours des ondes P générées par le séisme (étoile jaune).

Vous pouvez observez 2 types d'ondes:

• Les ondes P directes en violet
• Les ondes P ayant subies des réflexion et réfraction dans le noyau en bleu

Afin de définir la profondeur de la discontinuité de Gutenberg, repérez la discontinuité qui est à la source de la déviation des ondes P et par conséquence de la zone d'ombre sismique. Survolez le globe virtuel pour affichez les données de profondeur.

Quelle est la profondeur de la discontinuité de Gutenberg?

VALIDER

800 kms

2 900 kms

5 100 kms

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

II. Pourquoi les ondes S disparaissent au delà de 105° de distance angulaire

7. Dans la fenêtre "réglages / paramètres", sélectionner "Ondes S" dans le menu déroulant "rais"

Observez la propagation des ondes S à l'intérieur du globe.

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

II. Pourquoi les ondes S disparaissent au delà de 105° de distance angulaire

On observe que les ondes S ne se propagent pas dans le noyau

Sachant que les ondes S ne se propagent que dans les milieux solides, on peut en conclure que le noyau externe est:

Liquide

Solide

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Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

Croûte continentale

Croûte océanique

MOHO

Manteau inférieur

Solide, rigide

Noyau supérieur

Liquide

2 900

MANTEAU

Gutenberg

NOYAU

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

Grâce à l'étude des sismogrammes enregistrés à travers le monde pour plusieurs séismes, et leur mise en relation avec les propriétés des roches (densité notamment), un modèle du globe en couches concentriques séparées par des discontinuités a été mis au point.

MOHO

Ce modèle se base sur l'évolution de la propagation des ondes sismiques de la surface jusqu'au centre du globe terrestre.

Il s'agit du modèle PREM (Preleminary Reference Earth Model)

Discontinuité de Gutenberg

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

MOHO

Discontinuité de Gutenberg

En 1936, une sismologue danoise, Inge LEHMANN (1888-1993) découvre que le noyau de la Terre contient une partie centrale distincte: le noyau interne (ou graine). En effet, des ondes P indirectes et tardives sont enregistrées dans la zone d'ombre (sous forme d'ondes P, et d'ondes S dues à la transformation des ondes P lors de la réfraction). Lehmann émet l'hypothèse selon laquelle ces ondes seraient issues d'une réflexion des ondes P à la surfade d'une partie centrale du noyau. Cette discontinuité, formant la limite entre noyau interne et noyau externe est appelée discontinuité de Lehmann. Elle se trouve à 5 100 kms de profondeur.

Discontinuité de Lehmann

A noter: le fait de retrouver des ondes S se propageant dans le noyau interne indique que celui-ci est solide

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

Croûte continentale

Croûte océanique

MOHO

Manteau inférieur

Solide, rigide

MANTEAU

Noyau interne

Gutenberg

2 900

Noyau externe

Liquide

Noyau interne

Solide

Lehmann

5 100

NOYAU

A la découverte de la structure interne du globe terrestre

Première étape: comprendre l'effet des variations de densité des roches sur la vitesse de propagation des ondes sismiques

Deuxième étape: une discontinuité entre la croûte et le manteau

Troisième étape: les discontinuités profondes du globe terrestre

Dernière étape: lithosphère et asthénosphère

Dernière étape: lithosphère et asthénosphère

Faisons un zoom sur cette partie du graphique de l'évolution de la vitesse des ondes P et S en fonction de la profondeur, correspondant aux profondeurs de 0 à environ 300 kms

Dernière étape: lithosphère et asthénosphère

Rappel: à environ 7 kms en moyenne sous les océans et à environ 30 kms en moyenne sous les contienents, se trouve le MOHO, discontinuité marquant la limite entre le coûte et le manteau supérieur

Ainsi, sur les graphiques ci-contre, du MOHO à 300 kms de profondeur, nous sommes dans le manteau supérieur.

On observe pourtant un changement dans la vitesse des ondes P et S entre 100 kms (125kms sous les continents) et environ 220 kms de profondeur. Cette zone est appellée LVZ.

Au niveau de la LVZ, la vitesse de propagation des ondes P et S:

VALIDER

Augmente

Diminue

Dernière étape: lithosphère et asthénosphère

L'asthénosphère, dont la partie supérieure est la LVZ (Low Velocity Zone), fait partie du manteau supérieur. Au dessus se trouve la lithosphère.

Complétez les phrases suivantes:

• La lithosphère se trouve au niveau des domaines océaniques entre 0 et kms de profondeur. Elle est composée de la croûte et de la partie la plus superficelle du manteau supérieur = manteau lithosphérique

• L'asthénosphère se trouve, au niveau des domaines océaniques, entre kms et 700 kms de prodondeur (base du manteau supérieur).

VALIDER

Dernière étape: lithosphère et asthénosphère

Au niveau de la LVZ (Low Velocity Zone), la vitesse de propagation des ondes P et S diminue, avant ensuite de remonter.

Pourtant, nous avons déterminé à la deuxième étape que le manteau est exclusivement composé de péridotite. Il n'existe donc pas de discontinuité au niveau de la LVZ liée à une modification du type de roche. De même, les ondes S continuant à se propager, il n'y a pas de changement d'état solide / liquide .

Quelle est la cause de la diminution de la vitesse de propagation des ondes P et S au niveau de la LVZ ?

Dernière étape: lithosphère et asthénosphère

Quelle est la cause de la diminution de la vitesse de propagation des ondes P et S au niveau de la LVZ ?

ductile : se dit d’un matériau qui peut se déformer sans se rompre. Contraire de cassant

Complétez la phrase si-dessous:

Le ralentissement des ondes P et S au niveau de la LVZ est du au fait que les roches composant le manteau dans cette zone (péridotite) deviennent , alors que les roches de la lithosphère sont .

VALIDER

Dernière étape: lithosphère et asthénosphère

Croûte continentale

Croûte océanique

Asthénosphère

Solide, moins rigide

Manteau supérieur

Lithosphère

Solide, rigide

MOHO

Bravo, vous avez terminé!!

Vous pouvez retrouver le schéma bilan de la structure interne de la Terre entièrement complété, en téléchargement à ce lien

Vous pouvez demander à Mme Perri, la dernière partie du cours du "B. L'apport des études sismiques: une structure en couches concentriques", corespondant à ce qui a été vu dans ce genially, afin de l'intégrer à votre cours et l'apprendre.