Les sismogrammes montrent que la célérité des ondes de volume varie au cours de leur propagation. Les causes de ces variations sont à l’origine du modèle à symétrie sphérique du géoïde. La tomographie sismique montre que ce modèle très simplificateur n’est plus valable dans le détail.
La structure de la Terre est hétérogène, tant dans le plan vertical que dans le plan horizontal.
Variations de la célérité des ondes sismiques et discontinuités internes de la Terre
Plus la station sismique est éloignée de l’épicentre, plus le temps mis par l’onde pour arriver à la station augmente.
Le temps de propagation des ondes L est proportionnel à cette distance. La courbe de propagation ou hodocrone est une droite. Approximativement, les ondes L ne changent pas de milieu ; elles renseignent sur la nature des croûtes océaniques et continentales.
En ce qui concerne les ondes P et S, plus la station sismique est éloignée, plus ces ondes de volume prennent de l’avance, c’est-à-dire plus leur célérité augmente. Au cours de leur trajet, ces ondes traversent des milieux différents. Les ondes de volume renseignent sur la structure interne du globe.
Ondes directes, réfléchie, réfractée et conique des ondes de volume
Comme pour une onde lumineuse, quand une onde de volume rencontre une surface séparant deux milieux aux propriétés physiques différentes, elle subit des phénomènes de réflexion et réfraction. Les lois de Descartes sont applicables.
Schéma 1 : Trajets des ondes directe, réfléchie, réfractée et conique dans deux milieux où leurs célérités sont différentes ; V2 > V1.
F : foyer du séisme.
E : épicentre.
H : épaisseur du premier milieu traversé.
V1 : célérité.
Δ : distance épicentrale de la station sismique.
Quand une onde P ou S est émise à partir d’un foyer F, on peut enregistrer à la station sismique :
– une onde directe se déplaçant dans le premier milieu à la célérité V1 (voir schéma 1) ;
– une onde réfléchie sur la surface de discontinuité se propageant à la célérité V1 (voir schéma 1) ;
– une onde réfractée se propageant dans le deuxième milieu plus profond et plus dense donc la célérité V2 sera supérieure à V1 (voir schéma 1).
Le rai réfracté se propage et, à la discontinuité suivante, il sera réfracté avec un angle plus important jusqu’à ce que l’angle d’incidence soit suffisamment grand pour entraîner une réflexion totale. Les rais sismiques qui traversent la Terre sont courbés (concavité tournée vers la surface de la Terre) (voir schéma 2).
Une onde conique (schéma 1), qui s’explique par le fait qu’il existe un angle i limite tel que sin ic = V1/V2 (loi de Descartes) pour lequel le rai de l’onde réfractée se propage le long de la discontinuité à la célérité V2. Ce rai de l’onde conique ressort suivant l’angle i dans le premier milieu où il se propagera à la célérité V1.
En fonction de la distance épicentrale, la profondeur H du premier milieu et le rapport V1/V2, l’onde conique arrive à la station avant l’onde directe.
À la faveur d’une réflexion ou réfraction, les ondes P et S peuvent se transformer en S et P respectivement.
Schéma 2 : La trajectoire des rais sismiques.
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Zone d’ombre
À partir d’un foyer F, les ondes P et S directes sont reçues dans des stations situées jusqu’à 11 500 kilomètres de l’épicentre, soit une valeur angulaire inférieure à 105° (en surface, 1° correspond à 111,105 kilomètres).
Les rais sismiques disparaissent entre 105° et 142° (14 500 kilomètres de l’épicentre). Cette zone de non-réception des ondes P et S constitue la zone d’ombre sismique (« anneau de silence »).
Cette zone s’explique par des réflexions et des réfractions des rais sur les discontinuités profondes de la Terre.
Le rai sismique émergeant à 105° est tangent au noyau externe.
Le rai d’incidence juste supérieure à 105° pénètre dans le noyau (« K » de Kern = noyau en allemand) où il est réfracté et en ressort à la distance de 183° (rai 1).
Les rais issus d’incidence supérieure ressortent jusqu’à 142° (rais 2 et 3).
Pour une incidence supérieure à 142°, les rais ressortent après la zone d’ombre (rai 4).
Pour les ondes S, il n’y a pas de réception, à célérité moyenne normale, pour des distances supérieures à 142°. Ce fait s’explique par le comportement liquide du noyau externe (absence de transmission des ondes S dans les fluides). Les ondes S circulent dans la graine (solide), après avoir traversé le noyau externe sous forme d’ondes P (transformations lors des réfractions sur les discontinuités).
Modèle à symétrie sphérique de la Terre : modèle PREM (hétérogénéité verticale)
L’ensemble des données recueillies lors de l’étude des variations des célérités des ondes sismiques a permis d’établir un modèle à symétrie sphérique de la Terre (discontinuités et caractéristiques physiques et chimiques). C’est le modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model), publié par Dziewonski et Anderson en 1981.
Le modèle PREM
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La première discontinuité mise en évidence a été basée sur la réception d’ondes coniques P, à l’occasion d’un séisme en Croatie, par Mohorovicic en 1909 : c’est la discontinuité de Mohorovicic ou le « Moho ». C’est une discontinuité majeure entre croûtes et manteau. La variation de célérité des ondes L permet de différencier croûte océanique basaltique et croûte continentale granitique.
L’explication de l’origine de la zone d’ombre a permis de mettre en évidence la discontinuité de Gutenberg entre le manteau et le noyau. Cette discontinuité a été mise en évidence par Oldham en 1906 à 2 550 kilomètres de profondeur et localisée précisément à 2 900 kilomètres de profondeur par Gutenberg en 1914, ainsi que la discontinuité de Lehman à 5 000 kilomètres de profondeur entre noyau externe et interne (ou graine).
Birch, en 1961, montre que, d’après la célérité des ondes sismiques, la densité très élevée du noyau ne peut se comprendre que s’il est constitué principalement de fer.
Vers 100 kilomètres de profondeur, il y a une diminution de la célérité des ondes P et S qui se traduit par une « extinction » de la réception de ces ondes dans une zone de 100 kilomètres à 1 000 kilomètres à partir de l’épicentre. Cette zone LVZ (Low Velocity Zone) a permis de mettre en évidence l’asthénosphère à comportement ductile.
L’augmentation de la célérité des ondes entre 400 kilomètres et 500 kilomètres de profondeur marque une zone de transition avec passage d’une structure à olivine sous la LVZ à une structure plus dense à spinelle.
L’augmentation de la célérité de propagation des ondes, à 670 kilomètres de profondeur marque une autre zone de transition, qui correspond à la limite entre le manteau supérieur à spinelle et le manteau inférieur à perovskite dont la viscosité est beaucoup plus élevée. Comme on ne connaît pas de foyers sismiques à plus de 700 kilomètres de profondeur, cette zone pourrait correspondre à l’arrivée des plaques lithosphériques en subduction. (Une autre hypothèse ferait de la couche D’’, le cimetière de ces plaques lithosphériques.)
Outil
Le modèle à symétrie sphérique de la Terre : logiciel Sismolog, éditions Chrysis.
Tomographie sismique : hétérogénéité latérale
Le terme de « tomographie » (du grec tomos, « morceau coupé », et de [radio] graphie est un procédé médical d’exploration radiologique d’une mince couche d’organe à une profondeur voulue.
Par analogie, la tomographie sismique cartographie le manteau à différentes profondeurs.
Lors d’un séisme, les ondes P et S sont enregistrées dans de nombreuses stations (réseau Géoscope). La connaissance du modèle à symétrie sphérique PREM du globe permet de calculer les célérités des ondes. On compare les données théoriques obtenues par le calcul et les données enregistrées dans les stations. Puis, on met en évidence des zones où la célérité des ondes est soit plus grande, soit plus faible que le modèle calculé.
Ces zones « anormales » sont cartographiées pour différentes profondeurs.
Quand la densité augmente avec la profondeur, la célérité des ondes P et S augmente. La densité varie avec la température et la composition chimique. Les « zones rapides » correspondent à des régions plus froides et sont représentées en bleu. Inversement, les « zones lentes » correspondent à des régions plus chaudes et sont représentées en rouge.
En savoir plus
http://geoscope.ipgp.jussieu.fr Rubrique « Travaux scientifiques ». Tomographie planétaire. (Jean-Paul Montagner)
Rubrique « Travaux scientifiques ». Tomographie globale. Terre en 3D. (Alessandro Forte)
Cartographie issue de la variation de la célérité des ondes S à 100 kilomètres de profondeur (image de Jean-Paul Montagner) :
– au niveau des dorsales, on observe une diminution de la célérité des ondes S ; c’est le matériau chaud du magma ;
– au niveau des zones de subduction, on observe une augmentation de la célérité des ondes S ; c’est le matériau froid de la lithosphère qui plonge dans l’asthénosphère ;
– dans la croûte basaltique ancienne, augmentation de la célérité des ondes S (augmentation de densité).
À grande profondeur, la tomographie permettrait de mettre en évidence les courants de convection du manteau (hypothèse d’un modèle convectif à deux couches).
L’étude à une échelle plus réduite permet de visualiser l’emplacement des zones de subduction ainsi que l’inclinaison plus ou moins importante du plan de Benioff.
