3 De la lithosphère au noyau : l'apport des séismes

I La découverte du noyau

Les enregistrements des ondes sismiques réalisés dans diverses stations sismiques à la surface du globe, et issus de multiples séismes aux localisations très diverses, ont permis la construction d’hodochrones qui sont tous très semblables. Un hodochrone est un graphique donnant le temps d’arrivée d’une onde à une station sismique en fonction de la distance à l’épicentre.

Hodochrones : 

©RS.2019

Ces graphiques mettent en évidence que les ondes P et S enregistrées à grande distance de l’épicentre présentent une accélération cohérente avec la deuxième loi de Snell-Descartes.

La vitesse constante des ondes de surface traduit une circulation dans une seule et même couche, la croûte.

Cependant ces graphiques révèlent une zone d’ombre c’est-à-dire une zone à la surface du globe où les stations ne perçoivent pas les ondes sismiques S et P. Cette zone est située entre 11 500 et 14 000 kilomètres de distance à l’épicentre (soit entre 105° et 142° de distance angulaire à l'épicentre d'un séisme). Elle traduit l’existence d’une surface de discontinuité à grande profondeur (2900km) provoquant une réfraction telle que les ondes P ne réapparaissent pas sur une certaine distance (entre 11 500 et 14 000 kilomètres de l’épicentre).  La base du manteau est délimitée et le noyau mis en évidence.

La zone d’ombre : 

©RS.2019

La disparition à 2900 km de profondeur des ondes S ne circulant pas dans les milieux liquides, indique que sous cette surface de discontinuité appelée discontinuité de Gutenberg, la matière constituant le noyau (Fer + Nickel) est liquide.

Une autre discontinuité, située cette fois à 5155 km, et appelée discontinuité de Lehmann, a permis de distinguer le noyau externe liquide du noyau interne solide appelé « graine ». Elle se traduit par la réapparition d’ondes S provenant en réalité d’onde P transformées. Ces ondes S traversent la graine solide, puis arrivant dans le noyau externe liquide, redeviennent des ondes P qui seront enregistrées par les stations sismiques avec beaucoup de retard par rapports aux ondes P non modifiées.

II Des précisions sur le manteau 

L’étude des ondes sismiques sur le principe de la tomographie sismique indique que le manteau, bien que constitué d’un seul et même type de roches, présente des couches de rigidité différente en raison de températures différentes.

Les ondes P circulent dans la croûte à une vitesse d’environ 5 m/s. Au niveau du MOHO, leur vitesse augmente brutalement traduisant un changement de roche : c’est le début du manteau constitué de péridotite.

Le manteau se termine à 2900 km de profondeur avec la discontinuité de Gutenberg où l’on observe une importante et brutale chute de leur vitesse traduisant un milieu liquide.

Le manteau est constitué de péridotite et se divise en deux grandes parties : le manteau supérieur entre le MOHO et 700 km de profondeur et le manteau inférieur entre 700 km de 2900 km de profondeur. La délimitation entre ces deux parties se repère par une accélération brutale de la vitesse des ondes P : on passe ainsi d’un manteau supérieur à un manteau inférieur plus rigide que le premier.

Le manteau supérieur présente un découpage particulier. En effet la vitesse des ondes P continuant de s’enfoncer sous la croûte reste constante jusqu’à environ à 70 km sous les océans et 150 km les continents. Cette partie du manteau est donc rigide : on parle du manteau lithosphérique car il appartient à la Lithosphère. Le reste du manteau supérieur est appelé « Asthénosphère ».

Sous la Lithosphère, au début donc de l’Asthénosphère, la vitesse des ondes P va régulièrement et  progressivement diminuer jusqu’à environ 250 km de profondeur : cela indique que l’on reste dans un même matériau mais que celui-ci est de plus en plus ductile ralentissant les ondes (principe de la tomographie sismique). On parle de « Low Velocity Zone » ou couche LVZ. Au-delà de 250 km de profondeur et jusqu’à 700km (limite du manteau supérieur), la vitesse des ondes P augmente progressivement traduisant un milieu de plus en plus rigide. À 700 km de profondeur, débute le manteau inférieur rigide ou « Mésosphère ».

III Le modèle PREM

Les études sismiques ont donc permis de proposer un modèle du globe terrestre ayant une structure radiale. On parle du modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model) organisé en quatre couches concentriques présentant chacune une signature sismologique propre : la croûte, le manteau, le noyau externe et le noyau interne.

Modèle PREM :

©RS.2019

L'apport des études sismiques à la connaissance du globe PARTIE 2 - SVT - TERRE 1ère #3 - Mathrix