2 De la surface à la Lithosphère : l'apport des séismes

La surface de la terre est constituée de deux catégories de croûtes : la croûte océanique principalement constituée de basaltes et de gabbros, et la croûte continentale essentiellement constituée de granites et de gneiss.

L’étude du comportement des ondes sismiques ainsi que des études thermiques ont permis de préciser la structure interne de notre planète.

I Les ondes sismiques

Il existe trois grandes catégories d’ondes sismiques :

•      les ondes P pour ondes « primaires » qui sont des ondes de volume responsables d’un mouvement de compression/dilatation

•      les ondes S pour « secondaires » qui sont des ondes de volume responsables de mouvements d’oscillation

•      les ondes R (ondes de Rayleigh) et L (de Love) qui sont des ondes de surface responsables de mouvements de torsion (oscillations dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation pour les ondes de Love et oscillations dans un plan vertical avec un mouvement elliptique des particules pour les ondes Rayleigh).

Lors de l’enregistrement d’un séisme, les premières ondes à être enregistrées sont les ondes P puis suivent les ondes S et enfin les ondes de surface.

Différentes catégories d’ondes (A)  et leur enregistrement (B)

Source : Image A : d'après SVT 1S, Bordas 1993 p. 306 Claude Allègre, Les fureurs de la Terre - B : SVT 1eS, Bordas 2011 p. 92, site de http://raymond.rodriguez1.free.fr/Textes/1s21.htm

II  Découverte de la base de la croûte

En 1909, André Mohorovicic, météorologue croate, pionnier de la sismologie, a remarqué sur l’étude d’un sismogramme enregistré par une station assez proche de l’épicentre du séisme de Zagreb, un deuxième train d’ondes P arrivées après les ondes S. Pour expliquer ce phénomène, il s’est servi des lois de Snell-Descartes qui décrivent le comportement de la lumière à l’interface de deux milieux. Ces lois sont au nombre de 2 : une pour la réflexion et une pour la réfraction.

Dans la première loi qui concerne la réflexion, un rayon lumineux incident va rencontrer une surface (appelée aussi miroir ou dioptre), et être réfléchi selon un angle à la normale (droite perpendiculaire au miroir) égale à l’angle d’incidence ( d'arrivée par rapport à la normale).

C’est en utilisant cette loi que Mohorovicic expliqua l’arrivée du deuxième train d’onde P : le premier train d’ondes P correspondait à des ondes P directes (appelées Pg) alors que le deuxième train d’ondes correspondait à des ondes réfléchies sur une surface de discontinuité et qu’il a appelées ondes « PmP ». Cette surface de discontinuité qu’il a mise en évidence correspond à la base de la croûte. On la nomme aujourd’hui discontinuité de Mohorovicic ou « MOHO ».

En utilisant le théorème de Pythagore, dans une configuration où la somme de l’angle d’incidence et de l’angle de réflexion est égale à 90°, Mohorovicic a établi une formule permettant de calculer la profondeur du MOHO.

Lois de Snell-Descartes et découvertes du MOHO :

Avec : 

E = Épicentre

F = Foyer du séisme

F’ = Point image de F

H = profondeur du foyer

H = profondeur du MOHO

Δ = distance entre l’épicentre E et la station sismique S

Calcul des distances parcourues par les ondes :

Calcul de la profondeur H du Moho :

Ainsi l’étude de plusieurs sismogrammes a permis de définir qu’il existait une surface de discontinuité à la base de la croûte (appelée « le MOHO ») et qu’elle se situait entre 20 à 70 km sous la croûte continentale et 5 et 10 km sous la croûte océanique.

III / Découverte de la nature du manteau

Mohorovicic remarqua également que pour des stations très éloignées de l’épicentre, il existait sur les sismogrammes un train d’ondes P plus rapides que les ondes P directes (Pg). Il les a nommées « Pn ».

La seule explication possible était que ces ondes avaient subi une accélération en profondeur. Or la croûte ayant une constitution plutôt homogène, il n’y avait pas de raison que la vitesse des ondes change. De plus si les ondes avaient changé de milieu, c’est-à-dire avaient été réfractées dans le milieu situé sous la croûte, elles n’auraient pas été enregistrées par les sismogrammes en surface. Il a donc émis l’hypothèse que ces ondes avaient circulé à la limite entre les deux milieux, soit sur la discontinuité, et auraient alors subi une accélération.  Selon la deuxième loi de Snell-Descartes, ceci arrive quand les ondes incidentes arrivent avec un angle de 45° à la normale provoquant une réfraction après circulation sur la surface discontinuité.

Cette deuxième découverte a conforté l’idée d’une discontinuité et confirmé l’existence d’une roche de nature différente sous la croûte.

Des tests en laboratoire permettant de déterminer la vitesse de circulation des ondes dans différentes barres de roches ont permis d’identifier la péridotite comme étant la roche constitutive de la couche sous-jacente à celle de la croûte. 

Tests de détermination de la vitesse de sondes dans différentes catégories de roches :

©RS.2019

L’observation des massifs ophiolitiques dans les Alpes confirme cette hypothèse. En effet, au Mont Chenaillet, on observe une succession de basaltes  et de gabbros caractéristiques d’une croûte océanique exhumée lors de la collision entre la plaque Africaine et la plaque Européenne et appelée « ophiolite ». Sous les gabbros, des roches correspondants à de la péridotite métamorphisée sont observées. 

Ainsi il a été montré que sous la croûte, il existait une couche nommée « manteau » et constituée de péridotite.

IV Découverte de la lithosphère

En 1964, trois Américains, Jack Oliver, Bryan Isacks et Lynn Sykes, étudièrent les séismes le long du plan de Wadati-Benioff au niveau de la fosse océanique du Tonga dans le Pacifique ouest. Cette étude révéla l’existence de l’enfoncement d’une masse solide et cassante épaisse d’environ 100 km. La croûte océanique ne faisant que 5 à 10 km d’épaisseur, il était donc évident qu’il existait sous la croûte une couche de péridotite rigide se déplaçant avec cette dernière.

L’absence de séismes dans les matériaux environnants, et ce jusqu’à environ 700 km de profondeur, a permis de supposer l’existence d’une péridotite ductile située sous cette péridotite rigide. L’étude d’un séisme dont l’épicentre situé à égale distance de la station Fidji et de la station Tonga localisée à l’aplomb de la fosse, révéla un différentiel de 2 secondes dans la trajectoire des ondes réceptionnées par cette dernière : les ondes enregistrées par la station Tonga ont circulé plus rapidement montrant bien l’existence sous la fosse d’un matériau plus rigide que celui dans lequel ont circulé les ondes réceptionnées par la station Fidji située plus à l'ouest. 

Étude des séismes au niveau de la fosse du Tonga :

©RS.2019

 Ils venaient de mettre en évidence une couche nommée Lithosphère constituée donc de la croûte et d’une partie du manteau.

V Confirmation de la présence de la Lithosphère

La tomographie sismique est une méthode utilisant les sismogrammes et la variation de vitesse des ondes sismiques au sein d’une même couche de roche pour cartographier la structure interne de la Terre ainsi que ses propriétés physiques et minéralogiques. Elle sert notamment à cartographier les hétérogénéités du manteau terrestre. Elle se base sur le fait que dans les milieux froids et rigides, les ondes circulent plus vite que dans les milieux chauds et ductiles.

Ainsi la tomographie sismique a confirmé l’existence de la Lithosphère notamment au niveau des fosses océaniques où l’on peut observer des masses de matière froide s’enfoncer dans un manteau chaud et ductile.

Principe de la tomographie sismique :

Source : http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/IMG/gif/sismo_thermo.gif

Profil de tomographie sismique au Japon

Source : http://labopathe.free.fr/lithosphere-asthenosphere.html

Études sismiques du globe PARTIE 1 De la surface à la Lithosphère- SVT - TERRE 1ère spé #2 - Mathrix