L’apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre

Un séisme résulte de la libération brutale d’énergie lors de rupture de roches soumises à des contraintes.

Les informations tirées du trajet et de la vitesse des ondes sismiques permettent de comprendre la structure interne de la Terre (croûte – manteau – noyau ; modèle sismique PREM [Preliminary Reference Earth Model], comportement mécanique du manteau permettant de distinguer lithosphère et asthénosphère ; état du noyau externe liquide et du noyau interne solide).

Les études sismologiques montrent les différences d’épaisseur entre la lithosphère océanique et la lithosphère continentale.

L’étude des séismes au voisinage des fosses océaniques permet de différencier le comportement d’une lithosphère cassante par rapport à une asthénosphère plus ductile.

La température interne de la Terre croît avec la profondeur (gradient géothermique). Le profil d’évolution de la température interne présente des différences suivant les enveloppes internes de la Terre, liées aux modes de transfert thermique : la conduction et la convection. Le manteau terrestre est animé de mouvements de convection, mécanisme efficace de transfert thermique.

La propagation des ondes sismiques dans la Terre révèle des anomalies de vitesse par rapport au modèle PREM. Elles sont interprétées comme des hétérogénéités thermiques au sein du manteau.

Activité : la structure du globe terrestre (Mettre en relation des informations - Présenter sous forme d'un tableau)

Activité : le géotherme (Mettre en relation des informations et des connaissances - Présenter sous forme d’un graphique)

Activité : l'efficacité des transferts thermiques (Présenter sous forme d'un graphique)

Chapitre - L’apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre

I – Les séismes, révélateurs de la structure interne

A – Origine des séismes et libération d’énergie

Lorsque des contraintes s’accumulent sur un matériau rigide, le matériau se déforme d’abord de manière élastique et de l’énergie s’accumule.

Au delà d’une certaine quantité d’énergie accumulée, le seuil de rupture est atteint et toute l’énergie est brutalement libérée sous forme d’ondes mécaniques (tremblements de terre) : c’est le séisme.

B – Les ondes sismiques

Différents types d’ondes mécaniques sont libérées lors d’un séisme, les ondes P et les ondes S (et aussi les ondes de surface).

Lors des séismes les plus violents, les ondes peuvent se propager sur toute la planète en traversant la Terre.

C – Utilisation des ondes : modèle PREM et connaissance de la Terre

Les ondes de nombreux séismes enregistrées par les très nombreuses stations de mesure réparties sur la surface terrestre, ont permis aux scientifiques de construire le modèle PREM qui décrit la vitesse moyenne des ondes P et des ondes S en fonction de la profondeur.

L’étude de la propagation des ondes sismiques a permis de connaître la structure de la Terre.

II – Les enveloppes internes de la Terre

A – La lithosphère

Entre la surface et 100 km de profondeur en moyenne, la première enveloppe est la lithosphère.

C’est une enveloppe rigide et cassante à la surface de la Terre.

Elle est constituée de la croûte et du manteau lithosphérique (composé de péridotites).

La limite entre la croûte et le manteau lithosphérique est nommée le MOHO.

On distingue la lithosphère océanique (croûte océanique de 7 km d’épaisseur en moyenne + manteau lithosphérique) de la lithosphère continentale (croûte continentale de 30 km d’épaisseur en moyenne + manteau lithosphérique).

B – L’asthénosphère

Entre 100 km et 200 km de profondeur en moyenne, sous la lithosphère, on trouve l’asthénosphère.

Cette partie du manteau, également composée de péridotites est caractérisée par un comportement très ductile.

C – La mésosphère, le noyau externe et interne

Entre 100 km et 2900 km de profondeur en moyenne, on trouve le reste du manteau nommé mésosphère, également ductile et composé de péridotites.

Entre 2900 km et 5100 km en moyenne, on trouve le noyau externe. Il est composé d’un alliage de fer et de nickel à l’état liquide.

Entre 2900 km et le centre de la Terre (6400 km), on trouve le noyau interne. Toujours composé d’un alliage de fer et nickel mais à l’état solide.

III – Le géotherme et les transferts thermiques

A – L’augmentation de la température avec la profondeur

Les mesures directes par les forages ne permettent de connaître la température de la Terre que jusqu’à une dizaine de kilomètres de profondeur.

Pour connaître, le géotherme (l’évolution de la température en fonction de la profondeur), les scientifiques utilisent des données sismiques et des expériences en laboratoire.

Ainsi, les géologues ont pu déterminer que la température augmentait avec la profondeur pour atteindre plus de 5 000°C au centre de la Terre.

L’augmentation de la température avec la profondeur n’est pas régulière, le gradient géothermique varie.

B – Différents modes de transfert thermique

Dans la lithosphère, il y a une grande différence de température entre le haut et le bas, la température n’est pas homogène, les transferts de chaleur (transferts thermiques) sont peu efficaces.

Le mode de transfert thermique est la conduction car les roches ont un comportement rigide.

Dans le reste du manteau, il y a peu de différence de température entre le haut et le bas, la température est plutôt homogène, les transferts thermiques sont efficaces.

Le mode de transfert thermique est la conduction et la convection, car les roches sont ductiles et la matière se déplace (de quelques centimètres par an, d’une dizaine de kilomètres par million d’années).

En effet, les mouvements de la matière permettent l’homogénéisation de la température expliquant le faible gradient géothermique du reste du manteau.

C – Anomalies thermiques et convection mantellique

À l’intérieur de la Terre, il existe des zones où la vitesse des ondes est différente (anomalies de vitesse) de celle prédite par le modèle PREM.

Ces hétérogénéités de vitesses s’expliquent par des hétérogénéités thermiques.

Lorsqu’on observe des zones où la vitesse des ondes est plus faible que la normale (anomalie de vitesse négative), cela signifie que les roches sont moins denses (car la vitesse des ondes dépend de la densité), comme les roches sont moins denses cela signifie que ces zones sont plus chaudes (car la densité dépend de la température des matériaux).

Lorsqu’on observe des zones où la vitesse des ondes est plus élevée que la normale (anomalie de vitesse positive), cela signifie que les roches sont plus denses, comme les roches sont plus denses cela signifie que ces zones sont plus froides.

L’identification de ces zones permet de confirmer l’existence des mouvements de convection dans le manteau.

Chapitre - L’apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre

I – Les séismes, révélateurs de la structure interne

A – Origine et énergie

• Accumulation de contraintes → déformation élastique

• Rupture → libération brutale d’énergie = ondes sismiques

B – Ondes sismiques

• Ondes P : traversent solides + liquides

• Ondes S : traversent seulement solides

• Certaines parcourent toute la Terre

C – Analyse des ondes

• Enregistrements mondiaux → modèle PREM

• Variation des vitesses selon profondeur → structure interne déduite

II – Les enveloppes internes de la Terre

A – Lithosphère

• 0–100 km (en moyenne), rigide et cassante

• Croûte + manteau lithosphérique

• Limite croûte/manteau = Moho

• Lithosphère océanique ≠ continentale (épaisseur et composition)

B – Asthénosphère

• 100–200 km (env.), péridotites ductiles

C – Mésosphère + Noyau

• Mésosphère : reste du manteau, ductile

• Noyau externe : liquide (Fe–Ni)

• Noyau interne : solide (Fe–Ni)

III – Géotherme et transferts thermiques

A – Température interne

• Mesures directes jusqu’à ~10 km

• Données sismiques et des expériences en laboratoire → > 5000 °C au centre

• Gradient géothermique variable

B – Transferts thermiques

• Lithosphère : conduction dominante (rigide, gradient élevé)

• Manteau : convection + conduction (ductile, gradient faible)

→ Convection = déplacement de matière = transfert efficace

C – Anomalies thermiques

• Vitesses des ondes ≠ PREM → variations de température

• Anomalie de vitesse négative → roches - denses → + chaudes

• Anomalie de vitesse positive → roches + denses → + froides

• Preuve de la convection mantellique

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