III- Modèles de Terre sismologiques - Perso-sdt

Julie Perrot - U.B.O.
III- Modèles de Terre sismologiques
– p. 1
Les Ondes dans la Terre
Traversant :
le manteau, P or S
le noyau externe, K
le noyau interne, I
Se réfléchissant sur:
le noyau,c
le noyau interne, i
la surface libre, P or S
la surface libre prés du séisme, p
or s
⇒ Identification des phases du sismogramme à partir de la connaissance a priori
d’un modèle de Terre
– p. 2
Modèle de Vitesse 1D
à symétrie sphérique de la Terre
Traversant :
Modèle de Jeffreys-bullen →
1939, déterminé par inversion
des temps de parcours et
distances angulaires
PREM model
Jeffreys model
Density
PREM (PReliminary Earth Model)
→ 1981, obtenu par inversion des
oscillations libres de la Terre.
⇒ Modèle de vitesse à symétrie
sphérique
⇒ PREM révisé et réajusté au
niveau des zones à faible vitesse
ainsi qu’au niveau de la transition
noyau externe/interne
– p. 3
Tables de Jeffreys-Bullen
hodochrones
Temps de parcours des phases du
manteau et du noyau
Pour une distance épicentrale donnée,
identification des phases avec leur
temps de parcours associés
temps
distance
épicentrale
Hodochrones courbes montrant le
gradient de vitesse dans le manteau
Hodochrones droites des ondes de surface à vitesse à peu près constante
– p. 4
Hodochrone de l’onde P
Première phase en temps de 0 à 90◦
Non visible entre 90◦ et 140◦ définissant
la zone d’ombre
shadow zone
– p. 5
Hodochrone de l’onde S
Temps de parcours des ondes S plus
long arrivent après les ondes P
Comme les ondes P , non-visible après
90◦ jusqu’à 180◦
→ zone d’ombre plus large pour les
ondes P waves
– p. 6
Réseaux Sismologiques
Données accessible à partir de centre sismologique comme le NEIC (National
Earthquake international center) et GEOSCOPE
Le développement des réseaux qui distribuent les sismogrammes permettent
d’améliorer notre connaissance sur les mécanismes de rupture des séismes
ainsi que sur la structure interne de la Terre
– p. 7
Modèles sismologique et Thermo-mécanique
Profil de vitesse des ondes en fonction de la profondeur : PREM
Profil de résistance des enveloppes de la Terre qui dépendent de la Température et de la Pression
– p. 8
Structure de la croûte
Conrad - discontinuité de type
chimique
0 km
CROÛTE
Conrad
15 km
6.1 km/s
6.7 km/s
- à 15km de profondeur, non visible
partout
- sépare croûte inférieure granitique
de la croûte supérieure granulitique
(roche métamorphique)
Moho - discontinuité de type
chimique
LITHOSPHÈRE
30 km
Moho
6.7 km/s
8.0 km/s
MANTEAU
- profondeur suivant le contexte
géodynamique: 30 km en moyenne,
10km en contexte océanique, 70 km
sous l’Hymalya
- sépare croûte (SiO2 , Al2 O3 ) du
manteau ((Mg,Fe)2 SiO4 : Péridot ou
Olivine)
– p. 9
Structure de la croûte océanique
0 km
Basalte
5.7 km/s
2 km
- Structure et épaisseur relativement
homogène à travers tous les océans
Moho océanique situé entre 6 et 8km
Gabbro
8 km
Structure plus uniforme de la croûte
océanique
6.7 km/s
Moho
8.1 km/s
MANTEAU
Faible épaisseur de sédiments sur les
basaltes qui s’épaississent en s’éloignant
de la dorsale
surface: 300. 106 km2 et âge maximum:
160 M a.
- par comparaison croûte continentale surface: 130. 106 km2 et âge maximum: 4 Milliard d’années
– p. 10
Structure du manteau supérieur I
LVZ (Low Velocity Zone)
Discontinuité de type physique
0 km
30 km
CROÛTE
MANTEAU
LITHOSPHÈRE
100 km
ASTHÉNOSPHÈRE
250 km
8.2 km/s
7.8 km/s
LVZ
- entre 100 et 250 km, varie selon
contexte géodynamique
A ces profondeurs, T◦ ≈ 1300◦ C
proche de la T◦ de fusion de
l’Olivine: le manteau perd de sa
cohésion, se ramollit
- Déformation ductile
- Couche limite thermique importante,
explique le déplacement de plaques
rigides de la lithosphère sur + de
10000 km sans subir de déformation
interne importante.
– p. 11
Zones de subduction
Plan Wadati-Benioff : alignement des séismes selon un plan incliné
Activité importante jusqu’à 200 km
– p. 12
Structure du manteau supérieur II
Discontinuités du manteau supérieur
0 km
CROÛTE
LITHOSPHÈRE 30 km
100 km MANTEAU
SUPÉRIEUR
410 km
ASTHÉNOSPHÈRE
8.9 km/s
9.1 km/s
10.3 km/s
660 km
10.8 km/s
MÉSOSPHÈRE
MANTEAU
INFÉRIEUR
Discontinuités de type physique
marquant un ré-arrangement
minéralogique
- sous l’effet de la pression et T◦ ,
l’olivine constituant de base du
manteau change de forme
minéralogique
Discontinuité à 410 km
⇒ Passage de l’olivine α à l’olivine β
et γ
-20aine km d’épaisseur , variation de
la profondeur
– p. 13
Structure du manteau supérieur III
Discontinuités à 660 km
0 km
CROÛTE
LITHOSPHÈRE 30 km
100 km MANTEAU
SUPÉRIEUR
410 km
ASTHÉNOSPHÈRE
8.9 km/s
9.1 km/s
10.3 km/s
660 km
10.8 km/s
MÉSOSPHÈRE
MANTEAU
INFÉRIEUR
Discontinuité à 660 km
⇒ Passage de l’olivine γ à la perovskite
+ magnésiowustite
- qq km d’épaisseur , variation de la
profondeur
- Discontinuité délimitant le manteau
supérieur du manteau inférieur
- Viscosité 30 fois plus élevée dans le
manteau inférieur ?
- Sa profondeur correspond à la limite de détection en profondeur des
séismes ⇒ frontière non franchissable pour les zones de subduction ?
⇒ Discontinuité majeure ?
– p. 14
D”: Interface manteau/noyau
Discontinuité chimique et physique majeure similaire à l’interface
atmosphère/croûte entre le manteau solide et le noyau fluide
- Noyau plus dense et plus chaud ⇒ Fort gradient thermique
- Irrégulière , épaisseur variable jusqu’à 200 km
plusieurs hypothèses:
1. Interaction du entre partie externe liquide du noyau avec manteau ⇒
silicate haute pression injectés par une phase ferro-nickel (par comparaison
de certaines météorites)
2. Cimetière des restes de plaque lithosphérique après leur traversée
dans le manteau
– p. 15
Structure du noyau I
0 km
30 km
2900 km
5150 km
6370 km
CROÛTE
MANTEAU
13.7 km/s
8.1 km/s
NOYAU
EXTERNE
D”
10.4 km/s
11.0 km/s
NOYAU
INTERNE
Noyau externe
⇒ Aucune propagation en onde S et chute de la
vitesse des onde P
- Fer liquide +qq éléments légers (Ni,Si,O,C,S)
- Origine du champs magnétique Terrestre:
mouvements de convection de Fer liquide
engendre, dans un champ magnétique, un
courant électrique qui lui même engendre un
champs magnétique renforçant le 1er.
Noyau interne
- difficile d’accéder à la structure de la graine:
- la couche D” diffracte les ondes
- beaucoup d’atténuation dans les 1ers
kilomètres
- mauvaise distribution géographique des
stations
– p. 16
- très faible énergie des ondes dans la graine
Structure du noyau II
0 km
30 km
2900 km
5150 km
CROÛTE
solidité de la graine
MANTEAU
13.7 km/s
8.1 km/s
NOYAU
EXTERNE
10.4 km/s
11.0 km/s
NOYAU
INTERNE
- observation des oscillations propres de la
Terre lors de gros séisme
Anisotropie de la graine: ondes P se
propagent plus vite dans la direction N/S que
dans le plan équatorial (5 secondes de
différence par rapport à modèle PREM)
- pas d’anisotropie entre 100 et 200km →
fusion partielle, pas d’atténuation
- moins de 1 % dans hémisphère Est et 3
% dans hémisphère Ouest
- orientation des cristaux de Fer: origine de
l’anisotropie
6370 km
– p. 17
Modèle de vitesse PREM
Manteau
Manteau
Noyau
externe
P
10
S
6
5
S
2
1000
3000
Pression (Kbars)
10
4000
Température (°c)
P
Densité (g/cm3)
Vitesse (km/s)
14
Noyau
externe
3000
2000
1000
1000
3000
5000
Profondeur (km)
5000
– p. 18
É́tude détaillée des différentes enveloppes de la Terre
⇒ Modèle 1D à symétrie sphérique n’est plus valable
III - Tomographie sismique
– p. 19
Tomographie sismique I
Principe
Cartographie des anomalies de vitesse en 3D
de la surface au centre de la Terre
Mesure des écarts de vitesse de propagation
par rapport à une structure moyenne du Globe
(modèle à symétrie sphérique: PREM...)
Résidu: ∆t = tthéorique − tobservé
∆T1 = T1théo. − T1obs. = 0
∆T2 = T2théo. − T2obs. 6= 0
si ∆T2 < 0 ⇒ T2théo. < T2obs. : temps de parcours
dans le milieu réel plus lent que celui prédit par le
modèle de Terre
– p. 20
Tomographie sismique II
Distribution spatiale des résidus 2D et 3D
20
22
20
temps de parcours/ligne (s)
Applications 2D et 3D
20
20
22
20
20
temps de parcours/colonne (s)
Données utilisés:
- Ondes de volume → Manteau inférieur et
noyau
- Ondes de surface → Manteau supérieur
Interprétation des résidus:
- Variation de la T◦ des matériaux
- Variation de la composition chimique
Inconvénient: il faut un jeu de données dense
→ mauvaise distribution des stations et des
séismes
→ pas de station sismologique dans les
océans: développement OFM
– p. 21
Images tomographiques
Zones de subduction
– p. 22
Images tomographiques
Zones de subduction
– p. 23
Images tomographiques de la Terre
À la Profondeur de 100 km
– p. 24
Images tomographiques de la Terre
À la Profondeur de 350 km
– p. 25
Images tomographiques de la Terre
À la Profondeur de 2850 km
– p. 26
Image tomographique de la Terre 3D
⇒ Image des courants chaud et froid de la convection mantellique
– p. 27
Conclusions
Modèle de Terre sismologique
⇒ lié à la composition des roches, la Température
et la pression
Modèle Tomographique:
apport essentiel
l’approche de la convection dans le manteau
pour
→ Dynamique Interne de la Terre et ses
manifestations à la surface de la Terre
– p. 28