Plan/2 Zoom 1/2 - Perso-sdt

Plan/2
2. Structure interne du Globe
A.
B.
C.
D.
Introduction: La structure profonde du globe et la convection
Les hétérogénéités physiques du manteau: Lois de vitesse
Les plaques plongeantes
Tomographie globale
- Manteau supérieur
- Manteau inférieur
E. Les points chauds
Flux de chaleur en mW/m2
A. Introduction: La structure profonde du globe et la convection
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2 grandes unités de composition chimique très différentes
+ variations des propriétés physiques et minéralogiques f(T,P):
- D’’ (1)
1 Gutemberg , 2 Lehmann
- 660 km
- 400 km
- « L-A »
1
Silicates
2
Fer métallique
B. Hernandez www.chez.com/bhernand/
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A. Introduction: La structure profonde du globe et la convection
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- 3 modes de transfert de chaleur: conduction, radiation, convection
- Holmes 1931: manteau en convection: transport de chaleur par déplacement de la
matière
- Principe: différence de chaleur -> force d’Archimède, mais 2 effets s’y opposent:
frottements visqueux et diffusion de la chaleur T * nombre sans dimension utilisé en mécanique des
- La convection s’établit quand le temps
d’advection (ascension) de la zone
anormale est inférieur au temps de
diffusion de T : nombre de Rayleigh*
(valeur critique: ~2000) Ra > 1000
fluides et caractérisant le transfert de chaleur au sein
d'un fluide
- Conséquence: si de la matière monte,
autant doit descendre! -> Structure
convective = cellules
- Modèles de convection: contrôlés par
le flux de chaleur – rôle prépondérant
de la viscosité (variations énormes: 106)
Rappel: la croûte continentale concentre les
éléments radioactifs! Effet à ôter ici
https://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_de_Rayleigh
B. Les hétérogénéités physiques du manteau: lois de vitesse
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- Vp et Vs s’expriment en fonction des
paramètres élastiques de Lamé (λ = 1er
coefficient de Lamé, et μ = 2nd coefficient
de Lamé = module de cisaillement) et de
la densité ρ.
t
- Temps de parcours: en première
approximation, ne dépend pas de la
position géographique du séisme et de la
station, seulement de la distance
épicentrale D
- La vitesse locale varie donc
essentiellement avec la profondeur
- Modèle moyen de Terre avec des
millions de temps de parcours
D
2
S4 2015-2016 STE
Plan/2
2. Structure interne du Globe
A.
B.
C.
D.
Introduction: La structure profonde du globe et la convection
Les hétérogénéités physiques du manteau: lois de vitesse (suite)
Les plaques plongeantes
Tomographie globale
- Manteau supérieur
- Manteau inférieur
E. Les points chauds
B. Les hétérogénéités physiques du manteau: lois de vitesse
Zoom 1/2
Remarques:
hodochrone droite
des ondes de
surface – les
autres: courbes
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Zoom 1/2
B. Les hétérogénéités physiques du manteau: lois de vitesse
B
Zoom 1/2
B. Les hétérogénéités physiques du manteau: lois de vitesse ->
TOMOGRAPHIE
- Avec le Modèle 1D: Temps de parcours théorique peut être calculé ->
Anomalie de temps de parcours DT déduit, dépendant de la position du
séisme et de la station
- Ex: T ~600 s (D = 50°) -> DT ~1 à ~2 s
- Anomalie quelque part le long du rai…
A
B
R
Vitesse locale V = Vo + δV
A’
B’
Vo vitesse dans le modèle à la profondeur
considérée
Si δV/Vo = + 1% dans la zone R, l’onde voyage
plus vite que dans le modèle, donc:
Anomalie négative δtAB/Tp = [δV/Vo] x A’B’/AB,
typiquement de l’ordre de 1/1000ème
TOMOGRAPHIE SISMIQUE
Inversion d’un énorme système linéaire d’équation où les inconnues sont les
perturbations de « lenteur » (l’inverse de la vitesse) dans chacun des blocs du
modèle, les données les anomalies de temps, les coefficients la longueur du rai
dans le bloc.
Pour aller plus loin… « Biais anisotrope en tomographie »: voir article M. Granet, 1998
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C. Les plaques
plongeantes
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Tomographie sismique
(Piromallo & Morelli, 2003)
Pour l’interprétation:
- mesures sur péridotites ->
sensibilité de V à la
température -> modèle obtenu
par estimation de la structure
thermique -> δV
- écarts relatifs de vitesse:
souvent : +/- 5%
- âge de la plaque subduite +
vitesse: connues
- phases de l’olivine:
- 410 km : olivine β –>
spinelle, exothermique
- 660 km: spinelle ->
perovskite, endothermique
Faccenna et al., EPSL, 2006
C. Les plaques plongeantes
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Température minimale dans la plaque:
d’autant plus basse que la plaque est
vieille et que la plaque plonge vite
L = [V x âge /10]
T > 600-800°C suivant profondeur
-> ne reste que la tomographie pour voir
les slabs!
Passage dans le manteau
inférieur: souvent:
-> Transition de phase
-> changement de
viscosité (X 30)
L
P Ý -> V Ý
T Ý -> V ß
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D. Tomographie globale
- Manteau supérieur
- Manteau inférieur
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- Premiers modèles: années 80, ondes de surface pour manteau supérieur
- Limites et épaisseur des plaques retrouvées
D. Tomographie globale
- Manteau supérieur
- Manteau inférieur
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- Fortes hétérogénéités car les couches limites thermiques du système convectif
absorbent l’essentiel de δT
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D. Tomographie globale
- Manteau supérieur
- Manteau inférieur
Ondes P pour manteau inférieur
- Plus rien à voir avec les plaques !
- Grande ressemblance avec le géoïde
- Excès de masse: Contributions au
géoïde:
effet direct (bosse du géoïde) +
contributions dues aux déflexion
des interfaces (surface et
manteau-noyeau) vers le bas
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- Anomalies tomographiques -> Calcul
d’un géoïde « ajusté » à l’observé: Ok
en signe et amplitude si on tient
compte des déflexions ET si on
considère un manteau inférieur ~30
fois plus visqueux que le manteau
supérieur
Vitesse des ondes P en fonction
de la masse volumique selon
Birch (1963)
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E. Les points chauds
Ex.: Islande
Voir http://www.mantleplumes.org/
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Exemple: Piton de
la Fournaise
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Principe: reconstruire des sources
sismiques virtuelles à partir de
l'extraction, dans le bruit de fond
sismique, d'ondes se propageant de
manière cohérente entre deux
capteurs sismiques
a, Topographie du Piton de la
Fournaise. Triangles inversés =
capteurs sismiques. Rectangle en
pointillés = extension latérale du
modèle tomographique 3D.
b, Deux heures de bruit de fond
sismique.
c, Ondes de surface issues d'une
source virtuelle reconstruite à partir
du traitement du bruit de fond
sismique.
Modèle 3D de répartition des vitesses d'onde S au sein du volcan:
présence d'une anomalie de vitesse élevée située au centre de la
caldera active – Interprétation: corps magmatique intrusif associé au
refroidissement et à la solidification d'un magma ancien.
http://www.insu.cnrs.fr/terre-solide/dynamique-interne/noyau-manteau/tomographie-3d-du-piton-de-la-fournaise-a-partir-du-tra
Conclusions
Tomographie: science jeune
Fournit un modèle de référence, au
premier ordre radial
Anomalies de vitesse: toujours mieux
contraintes par les données, à « lire »
avec prudence
Dépendance de la T, P, composition,
qui déterminent viscosité et
changements de phase
Tomographie: - essentielle pour
retrouver les slabs du passé et les
panaches et points chauds
- essentielle pour
contraindre et modéliser la convection
du manteau
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