EXERCICES DIVERGENCE STRUCTURE ET FORMATION

EXERCICES DIVERGENCE
STRUCTURE ET FORMATION DE LA TERRE
P21 à 24
Exercice 1 p 21 : Définir en une phrase les mots suivants
Onde sismique = vibration produite au foyer sismique, provoquant une réorganisation momentanée des particules,
et se propageant dans toutes les directions.
 Onde P : onde première, de compression,
 Onde S : onde seconde, de cisaillement, transversales
 Onde L et R : L pour onde de Love, R pour onde de Rayleigh = ondes de surface
Rai sismique = ligne perpendiculaire au front d’onde, le long de laquelle se déplace l’énergie, la vibration
Front d’onde : surface qui sépare les particules entrées en vibration de celles qui ne le sont pas.
Réfraction d’un rai sismique : changement de direction et de vitesse du rai sismique, suite à un changement du
milieu de propagation. (Voir p 341 du livre)
Discontinuité : limite séparant deux milieux de caractéristique différente (composition chimique ou état physique).
Sismogramme : enregistrement ou tracé des secousses arrivant à la station, obtenues par un sismographe.
Exercice 2 p 21: Reconstituer des phrases exactes
1 avec b et d.
2 avec a et d.
3 avec a, d.
Exercice 3 p 21 : Restituer ses connaissances à partir de mots clés
a)
les vitesses de propagation des ondes P mettent en évidence des discontinuités séparant la terre en
concentriques ; la terre présente donc une hétérogénéité verticale.
b)
l’analyse des météorites permet de penser que la formation de la terre provient de l’accrétion de corps célestes de
différentes tailles. La structure en couches concentriques résulte de sa différenciation sous l’effet de la gravité.
Exercice 4 p 22 : Analyse de sismogrammes
1° Temps des ondes P pour arriver à KOG
Abscisse de KOG sur l’échelle du temps : 500 secondes soit 8 minutes et 20 secondes
2° Distance des stations à l’épicentre
Tables de JEFFREYS p 25. Le signe  représente l’angle correspondant à la distance. Prendre les colonnes
correspondant à S-P en minutes et secondes.
Distance KOG à l’épicentre : Différence de temps P-S = 0.3.103 sec = 300 sec = 5 min.
La différence P-S correspond à un angle de 31°, valant : 31° x 111 km = 3.441 km.
Distance KOG – épicentre = 3.441 km.
Distance UNM à l’épicentre : Différence P-S = 0.5.103 sec = 500 sec = 8 min et 20 sec.
La différence de temps P-S correspond à un angle de 62°, soit : 62 x 111 = 6.882 km
Distance UNM – épicentre = 6.882 km
Distance SCZ à l’épicentre : Différence de temps P-S = 0.8.103 sec = 700 sec = 11 min et 40 sec.
La différence P-S correspond à un angle de 103°, soit : 103 x 111 = 11.433 km
Distance SCZ – épicentre = 11.433 km.
Exercice 5 p 22 : Détermination de l’épicentre d’un séisme
1° Préciser la station la plus proche, justifier
CVF : car les premières ondes Pg enregistrées sont sur le sismogramme de CVF.
2° Calcul des distances à l’épicentre
Distance CVF-épicentre : Pg-Sg = 10 sec
Délai P-S correspond à un angle 0.75° (au milieu de 0.5/1.0 car 10 au milieu de 7.6/13.1).
Cet angle vaut : 111 km/° x 0.75° = 83.25 km = distance CVF – épicentre.
Distance LMR-épicentre : Pg-Sg = 15 sec
Délai P-S correspond à un angle de 1.2°, valant 111 x 1.2 = 133.2 km
Distance FRT-épicentre : Pg-Sg = 14 sec
Délai P-S correspond à un angle de 1.1°, valant 111 x 1.1 = 122.1 km
Distance LRG-épicentre : Pg-Sg = 17 sec
Délai P-S correspond à un angle de 1.4°, valant 111 x 1.4 = 155.4 km
3° Détermination graphique de l’épicentre
Avec l’échelle donnée, utiliser le compas pour tracer les cercles ayant pour centre la station et pour rayon la distance
épicentrale. L’épicentre est situé sous le fond de la Méditerranée, à 80/85 km au NW de Calvi.
Exercice 6 p 23 : Discontinuités superficielles
1° Profondeur de la variation brusque de VP, signification de cette variation
A 10 km : VP passe de 1.7 à 8 km/s (et VS de 0.1 à 4.2 km/s)
On sait qu’un changement brusque et fort de vitesse d’onde signifie un changement de composition chimique.
C’est donc un changement de composition chmique qui ici est mis en évidence. A cette profondeur : MOHO.
2 a° : identification des caractéristiques physiques de la LVZ à 100 km
L’énoncé informe que les matériaux traversés sont les mêmes : en conséquence, la variation de vitesse ne peut pas
venir d’un changement de composition : il ne résulte que d’un changement d’état physique.
Comme on sait que lorsque la densité baisse la vitesse diminue. La baisse de densité résulte d’une élévation de
température ou d’une baisse de pression.
On peut conclure que la densité de la couche LVZ est plus faible que celles du dessus et du dessous.
(Il peut s’agir du réchauffement du à la profondeur ou d’une baisse de pression due au déplacement des plaques.)
2b° : nom de cette enveloppe et de la sous-jacente
LVZ = asthénosphère partie du manteau supérieur où les ondes P et S ralentissent.
Couche sous LVZ = manteau supérieur
(Couche sur LVZ = manteau supérieur lithosphérique)
Exercice 7 p 23 : Discontinuités profondes
1° Informations sur la structure interne apportées par les ondes P et S
De 700 à 2900 km

VP augmente régulièrement de 10 pour 700 km à 13.8 km/s pour 2900 km.
Cette augmentation de vitesse sans changement brusque montre que cette zone est homogène, de même
composition. L’augmentation de vitesse résulte de l’augmentation de densité conséquence de l’augmentation de
pression avec la profondeur.

L’observation similaire pour VS, mais ces ondes s’arrêtent vers 2500/2700 km : sachant que les ondes S ne se
propagent pas dans les liquides, on peut penser qu’avant la discontinuité de Gutemberg, il existe une couche du
manteau inférieur, de 200 km environ, qui pourrait être proche du liquide.
De 2900 à 5100 km

La chute brusque et forte de VP de 13.8 à 8 km.s-1 à la profondeur de 2.900 km indique un changement de
composition, qui correspond à la limite manteau / noyau.

L’absence d’ondes S à partir de cette profondeur témoigne d’un passage dans un état liquide.

L’augmentation progressive de la vitesse des ondes P, sans variation brusque, montre l’absence de discontinuité
et une composition homogène, où la densité augmente avec la pression et la profondeur.
De 5100 à 6371 km
Seules les ondes P peuvent être exploitées.
-1

La brusque mais petite augmentation de VP de 10 à 11,2 km.s à 5.100 km de profondeur, indique un
changement d’état physique, un durcissement de la matière. Cette zone correspond au noyau interne

L’augmentation régulière de la vitesse des ondes P, de 10 pour 5.100 km à 11,2 pour 5.300 km, signifie une
augmentation de la densité du noyau interne dans une composition chimique homogène.

La stabilisation de VP après 5.300 km indiquerait l’existence d’une très forte température compensant
l’augmentation de densité due à la pression.
2° Confirmation par les informations de densité ?
De 700 à 2900 km
La densité augmente régulièrement et lentement de 4 pour 700 km à 5.5 pour 2.900 km.
Elle confirme l’augmentation de VP dans cette même couche : lorsque la densité des matériaux traversés
augmente, la vitesse sismique augmente.
L’augmentation de densité (5.5-4/4=0.37 = 37%) équivaut à l’augmentation de VP (13.8-10/10=0.38 = 38%)
De 2900 à 5100 km

La brusque et forte augmentation de densité à 2.900 km de 5,5 à 10 confirme la forte augmentation de VP
signifiant un changement matériaux, à base d’oxydes de fer, de densité plus forte.

Toutefois cette augmentation brusque de densité de 5 à 10 n’explique pas la baisse des VP et l’absence des
ondes S : c’est l’état physique seul qui peut rendre compte du ralentissement de vitesse ou de l’absence d’onde.

Dans cette couche du noyau externe, l’augmentation de densité de 10 pour 2.900 km à 12.5 pour 5.100 km (soit
25%) confirme l’augmentation de VP de 8 pour 2.100 km à 10,1 pour 5.100 km (soit 26%).
De 5.100 à 6.371 km

L’augmentation de densité de 12.5 à 13.5 (8%) à 5.100 km correspond à l’augmentation de VP : il signifie un
changement de matière.

Noyau externe et interne n’auraient pas tout à fait la même composition chimique.

On sait aussi qu’il existe un changement d’état physique entre ces deux noyaux, qui est responsable du
changement de vitesse.
3° schématiser l’organisation interne
Voir schéma du livre page 20
Exercice 8 p 24 : Structure des lithosphères continentale et océanique
1° Schéma structural des 2 lithosphères à partir des vitesses de propagation des ondes P
Les valeurs données pour la lithosphère océanique sont inexactes
VP en km/s
Utiliser ces nouvelles valeurs
en référence avec la page 31 du livre
profondeur
en km
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-20
-30
-42
VP km/s
océanique continentale
1,6
5
5,5
5,05
5,5
5,1
6
5,15
6,1
5,2
6,15
5,25
6,2
5,3
6,25
5,35
6,3
5,4
6,5
5,45
7,9
5,5
8,2
6
8,3
6,
8,4
8,3
Profondeur en km
2° Profondeur du MOHO à partir de la comparaison des ondes P
Lithosphère océanique : VP à 1,6 km/s, de 0 à - 1km
Forte et brutale variation de VP de 1,6km/s à 5,5km/s vers 1k de profondeur
Stabilisation de VP à 5.5km/s sur 1 km d’épaisseur, de 1 à 2 km
Variation progressive et faible de VP de 5,5 à 6km/s à de 2 à 3 km de profondeur
Variation progressive et très faible de VP de 6km/s à 6,5 de 3 à 9 km de profondeur
Forte variation de VP de 6.5km/s à 8km/s à 10 km de profondeur
Stabilisation relative de VP vers 8km/s au delà de 8 km de profondeur, jusqu’à 42 km.
On sait qu’une variation forte et brutale de la vitesse sismique signifie un changement de composition du milieu.
On peut en déduire 2 zones principales pouvant indiquer le MOHO :
 1 km de profondeur car forte et brutale variation de VP de 1,6km/s à 5,5km/s
 9/10 km car forte et brutale variation de VP de 6,5 à 8 km/s.
La connaissance théorique du MOHO est d’environ 10 km de profondeur.
Le MOHO peut donc être situé ici à 9-10 km ; la discontinuité superficielle à 1 km représente les sédiments
océaniques sur le basalte.
Lithosphère continentale : Variation progressive de VP de 5,5 à 6,6km/s à de dans les 30 premiers km de profondeur
Forte variation de VP de 6.5km/s à 8km/s entre 30 et 40km de profondeur
On sait qu’une variation forte et brutale de la vitesse sismique signifie un changement de composition du milieu.
On peut en déduire 1 seul zone indiquant le MOHO : entre 30 et 40 km de profondeur, où VP passe de 6,5 à 8 km/s.
3° Epaisseur des croûtes continentale et océanique
On sait que la croûte est délimitée par le MOHO, changement de composition entre basalte / gabbro et péridotite.
Dans la lithosphère océanique, l’épaisseur de la croute est d’environ 10 km.
Dans la lithosphère continentale, l’épaisseur de la croute est d’environ 35 km.
4° Informations apportées par les données sismiques sur la structure et la nature des croûtes
Pour cette question, il est nécessaire de connaître les vitesses sismiques spécifiques des roches.
TYPE DE ROCHE
sédiments
granite
basalte gabbro
péridotite
VP km/s
1,5 < v < 2,5
5 < v < 6,3
5,5 < v < 6,6
8 < v < 8,4
Lithosphère continentale : Variation progressive de VP de 5,5 à 6,3km/s dans les 30 premiers km de profondeur.
Le tableau de vitesses dans les roches montre que pour le granite VP va de 5 à 6,3km/s.
On sait que les variations de pression modifient la vitesse sismique : ici l’augmentation de pression augmente la
vitesse sismique.
De 0 à 30 km, l’augmentation de vitesse sismique signifie une augmentation de pression du milieu, sans réel
changement de composition chimique de la croute continentale.
Lithosphère océanique : Variation progressive de VP de 5,5 à 6,3km/s dans les 30 premiers km de profondeur.
Le tableau des vitesses sismiques montre que dans les sédiments, VP va de 1,5 à 2,5km/s.
Donc le 1° km est constitué de sédiments océaniques.
Le tableau des vitesses sismiques montre que dans le basalte et le gabbro, VP est de 5,5 à 6,6km/s.
On sait que les variations de pression modifient la vitesse sismique.
On sait aussi que la croute océanique est principalement constituée de basalte au-dessus et de gabbro en-dessous.
On peut donc penser que :



De 1 à 2km, la couche contient du basalte en coussins, refroidis au contact de l’eau, et donc hydratés.
De 2 à 3 km, l’augmentation de vitesse sismique de 5,5 à 6 km laisse penser au mélange de basalte et de
gabbro, de plus en plus comprimés, contenant de moins en moins d’eau.
De 3 à 9 km, la relative stabilité de VP indique la présence de gabbro, soumis à des pressions de plus en
plus fortes.