Déformation et mouvements dans la Terre
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Déformation et mouvements dans la Terre • Cécile Grigné (12h) : mouvements globaux de convection du manteau et de tectonique des plaques, modélisation. • Chantal Tisseau (9h) : lithosphère thermique et mécanique. • Christophe Delacourt (9h) : mesures de la déformation de la lithosphère. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 1 I - Comportement mécanique des couches solides de la Terre http://pageperso.univ-brest.fr/∼grigne Bibliography : - Isostasy and Flexure of the Lithosphere, A.B. Watts, Cambridge Press University, 2001 - Dynamic Earth, G.F. Davies, Cambridge University Press, 1999 - Geodynamics, D.L. Turcotte & G. Schubert, Cambrigde University Press, 2002 C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 2 Introduction Notion de temps en géologie : • Fin XVIIIème siècle : les géologues Hutton et Hall expriment l’idée qu’il faut des temps indéfinis pour créer des structures géologiques (plis, discordances...) ...we find no vestige of a beginning, no prospect of an end.” Hutton James Hutton (1726-1797) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 3 Introduction : notion de temps en géologie • Hutton : la Terre est à l’état stationnaire, c’est-à-dire que les traces des conditions initiales sont maintenant perdues. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 4 Introduction : notion de temps en géologie • Hutton : la Terre est à l’état stationnaire, c’est-à-dire que les traces des conditions initiales sont maintenant perdues. • Première moitié XIXème : Lyell veut expliquer les observations géologiques par des processus encore visibles aujourd’hui (érosion, dépôts de sédiments ... ) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 4 Introduction : notion de temps en géologie • Hutton : la Terre est à l’état stationnaire, c’est-à-dire que les traces des conditions initiales sont maintenant perdues. • Première moitié XIXème : Lyell veut expliquer les observations géologiques par des processus encore visibles aujourd’hui (érosion, dépôts de sédiments ... ) ¥ processus très lents, qui impliquent des échelles de temps très grandes. ¥ Darwin, dans Origin of species, donne un ordre de grandeur pour l’érosion d’une formation particulière, de 300 Ma. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 4 Introduction : notion de temps en géologie • Hutton : la Terre est à l’état stationnaire, c’est-à-dire que les traces des conditions initiales sont maintenant perdues. • Première moitié XIXème : Lyell veut expliquer les observations géologiques par des processus encore visibles aujourd’hui (érosion, dépôts de sédiments ... ) ¥ processus très lents, qui impliquent des échelles de temps très grandes. ¥ Darwin, dans Origin of species, donne un ordre de grandeur pour l’érosion d’une formation particulière, de 300 Ma. ◮ Hutton et Lyell : vision uniformitariste, s’opposant à une vision catastrophiste. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 4 Introduction : refroidissement de la Terre Vision ancienne de l’intérieur de la Terre (avant XIXème ) : chenaux de magma connectés au noyau C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 5 Introduction : refroidissement de la Terre • Début XIXème : Observation claire de l’augmentation de la température avec la profondeur. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 5 Introduction : refroidissement de la Terre • Début XIXème : Observation claire de l’augmentation de la température avec la profondeur. • Lord Kelvin : calcul de l’âge de la Terre basé sur cette observation (∼ 1850) (Calcul du temps nécessaire pour que le gradient thermique proche de la surface décroisse à sa valeur actuelle.) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 5 Introduction : refroidissement de la Terre • Début XIXème : Observation claire de l’augmentation de la température avec la profondeur. • Lord Kelvin : calcul de l’âge de la Terre basé sur cette observation (∼ 1850) (Calcul du temps nécessaire pour que le gradient thermique proche de la surface décroisse à sa valeur actuelle.) ◮ Quelques centaines de Ma. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 5 Introduction : refroidissement de la Terre • Opposition entre ¥ la vision “état stationnaire” de Lyell, ¥ et la vision “refroidissement en cours” de Kelvin. • mais les deux arrivent à des temps équivalents pour l”’histoire de la Terre” (∼ 108 ans). C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 6 Introduction : refroidissement de la Terre • Opposition entre ¥ la vision “état stationnaire” de Lyell, ¥ et la vision “refroidissement en cours” de Kelvin. • mais les deux arrivent à des temps équivalents pour l”’histoire de la Terre” (∼ 108 ans). • Dans le modèle de refroidissement de Kelvin, il manque : ¥ la radioactivité (source de chaleur pour le manteau terrestre), ¥ la convection thermique. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 6 Introduction : refroidissement de la Terre • Opposition entre ¥ la vision “état stationnaire” de Lyell, ¥ et la vision “refroidissement en cours” de Kelvin. • mais les deux arrivent à des temps équivalents pour l”’histoire de la Terre” (∼ 108 ans). • Dans le modèle de refroidissement de Kelvin, il manque : ¥ la radioactivité (source de chaleur pour le manteau terrestre), ¥ la convection thermique. ◮ Age de la Terre calculé par radiométrie : 4.55 × 109 ans (C.C. Patterson, 1956). ◮ Compréhension claire du mode de transfert de chaleur de la Terre vers 1980. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 6 Intro : comportement mécanique des roches • Pour l’expérience humaine, les roches sont ¥ solides et cassantes quand elles sont froides, ¥ liquides quand elles sont chaudes (lave). C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 7 Intro : comportement mécanique des roches • Pour l’expérience humaine, les roches sont ¥ solides et cassantes quand elles sont froides, ¥ liquides quand elles sont chaudes (lave). • Mais sur des échelles de temps longues, et sous l’effet de la température et/ou de fortes pressions : les solides peuvent se déformer sans casser (et sans devenir liquide). Exemples : ¥ glaciers ¥ métaux malléables quand ils sont chauds ¥ (vitraux qui s’épaississent dans leur partie basse ??) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 7 Intro : comportement mécanique des roches • Pour l’expérience humaine, les roches sont ¥ solides et cassantes quand elles sont froides, ¥ liquides quand elles sont chaudes (lave). • Mais sur des échelles de temps longues, et sous l’effet de la température et/ou de fortes pressions : les solides peuvent se déformer sans casser (et sans devenir liquide). Exemples : ¥ glaciers ¥ métaux malléables quand ils sont chauds ¥ (vitraux qui s’épaississent dans leur partie basse ??) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 7 I - Comportement mécanique des couches solides de la Terre I - 1) Mise en évidence de la déformation de la Terre solide I - 2) Mouvements latéraux, convection et tectonique des plaques I - 3) Comportement solide élastique : modèle de structure interne de Terre I - 4) Estimations de la viscosité C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 8 I - 1 Mise en évidence de la déformation Au milieu du XVIIIème siècle : grandes expéditions lancées pour mesurer la forme de la Terre : - Ecole anglaise (Newton) : Terre aplatie aux pôles - Ecole française (Cassini) : Terre aplatie à l’Equateur C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 9 I - 1 Mise en évidence de la déformation Au milieu du XVIIIème siècle : grandes expéditions lancées pour mesurer la forme de la Terre : - Ecole anglaise (Newton) : Terre aplatie aux pôles - Ecole française (Cassini) : Terre aplatie à l’Equateur • Deux expéditions françaises : - Mesures à Quito (La Condamine) - Mesures près du cercle Arctique (de Maupertuis) • Mesure de la latitude astronomique (angle entre l’horizon et l’étoile polaire) et des distances par triangulation. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 9 I - 1 Mise en évidence de la déformation Au milieu du XVIIIème siècle : grandes expéditions lancées pour mesurer la forme de la Terre : - Ecole anglaise (Newton) : Terre aplatie aux pôles - Ecole française (Cassini) : Terre aplatie à l’Equateur • Deux expéditions françaises : - Mesures à Quito (La Condamine) - Mesures près du cercle Arctique (de Maupertuis) • Mesure de la latitude astronomique (angle entre l’horizon et l’étoile polaire) et des distances par triangulation. ◮ La Terre est en effet aplatie aux Pôles C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 9 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Bouguer (expédition de La Condamine en Equateur) note l’importance des reliefs autour de Quito : Le fil à plomb n’est pas assez dévié par cette masse (1749) : l’attraction des chaînes de montagne ne semble pas assez forte. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 10 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Bouguer (expédition de La Condamine en Equateur) note l’importance des reliefs autour de Quito : Le fil à plomb n’est pas assez dévié par cette masse (1749) : l’attraction des chaînes de montagne ne semble pas assez forte. ◮ Introduction du terme de compensation. Les montagnes sont dues à de l’expansion thermique : pas d’anomalie de masse. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 10 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Bouguer (expédition de La Condamine en Equateur) note l’importance des reliefs autour de Quito : Le fil à plomb n’est pas assez dévié par cette masse (1749) : l’attraction des chaînes de montagne ne semble pas assez forte. ◮ Introduction du terme de compensation. Les montagnes sont dues à de l’expansion thermique : pas d’anomalie de masse. • La géologie des années 1800 est dominée par la théorie de la contraction. • Les montagnes sont des zones moins refroidies (donc moins contractées) que les autres, et donc peu denses. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 10 I - 1 Mise en évidence de la déformation Observation de Babbage (1847) au Temple de Separis • Colonnes avec des traces de mollusques lithophages C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 11 I - 1 Mise en évidence de la déformation Observation de Babbage (1847) au Temple de Separis • Colonnes avec des traces de mollusques lithophages ◮ Indiquent de la subsidence et du soulèvement C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 11 I - 1 Mise en évidence de la déformation • G. Everest : Mesures le long des Indes (1840-1859). Observe une déviation de la verticale au pied de l’Himalaya de l’ordre de 5 secondes d’arc. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 12 I - 1 Mise en évidence de la déformation • G. Everest : Mesures le long des Indes (1840-1859). Observe une déviation de la verticale au pied de l’Himalaya de l’ordre de 5 secondes d’arc. • Calcul de Pratt : la déviation due à l’Himalaya devrait être de 15”. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 12 I - 1 Mise en évidence de la déformation • G. Everest : Mesures le long des Indes (1840-1859). Observe une déviation de la verticale au pied de l’Himalaya de l’ordre de 5 secondes d’arc. • Calcul de Pratt : la déviation due à l’Himalaya devrait être de 15”. ◮ Modèle d’isostasie de Pratt : en lien avec la théorie de la contraction thermique PRATT−HAYFORD peu dense très dense C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 12 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Airy explique la faible déviation de la verticale au pied de l’Himalaya en comparant la croûte à des morceaux de bois flottant sur l’eau : Si un morceau de bois dépasse de l’eau plus qu’un autre, on peut être certain que sa base est plus profonde. AIRY−HEISKANEN densité homogène C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 13 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Deux modèles de compensation des charges liées aux montagnes qui impliquent : ¥ une partie supérieure solide et peu dense, ¥ reposant sur un milieu plus dense, et qui peut s’écouler pour s’adapter aux charges dans le cadre du modèle d’Airy. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 14 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Deux modèles de compensation des charges liées aux montagnes qui impliquent : ¥ une partie supérieure solide et peu dense, ¥ reposant sur un milieu plus dense, et qui peut s’écouler pour s’adapter aux charges dans le cadre du modèle d’Airy. • Introduction du terme d’isostasie par Dutton. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 14 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Les deux modèles, Pratt et Airy, impliquent des profondeurs de compensation très différentes PRATT−HAYFORD AIRY−HEISKANEN peu dense très dense C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre densité homogène 15 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Les deux modèles, Pratt et Airy, impliquent des profondeurs de compensation très différentes ¥ Pratt : épaisseur de croûte de l’ordre de 150 km, pour des variations de masse volumique de moins de 100 kg.m-3 ¥ Airy : épaisseur de croûte de quelques dizaines de km, avec un contraste de masse volumique entre le manteau et la croûte de l’ordre de 500 kg.m-3 . C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 15 I - 1 Mise en évidence de la déformation Dans les années 1890 : grandes campagnes de mesure du champ de gravité aux Etats-Unis. ¥ Le champ de gravité n’est pas le même partout sur Terre. Différences liées C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 16 I - 1 Mise en évidence de la déformation Dans les années 1890 : grandes campagnes de mesure du champ de gravité aux Etats-Unis. ¥ Le champ de gravité n’est pas le même partout sur Terre. Différences liées • à l’éloignement par rapport au centre de gravité de la Terre : - aplatissement de la Terre aux pôles (latitude) - altitude C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 16 I - 1 Mise en évidence de la déformation Dans les années 1890 : grandes campagnes de mesure du champ de gravité aux Etats-Unis. ¥ Le champ de gravité n’est pas le même partout sur Terre. Différences liées • à l’éloignement par rapport au centre de gravité de la Terre : - aplatissement de la Terre aux pôles (latitude) - altitude • à la présence de masses sous et autour du point de mesure C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 16 I - 1 Mise en évidence de la déformation Dans les années 1890 : grandes campagnes de mesure du champ de gravité aux Etats-Unis. ¥ Le champ de gravité n’est pas le même partout sur Terre. Différences liées • à l’éloignement par rapport au centre de gravité de la Terre : - aplatissement de la Terre aux pôles (latitude) - altitude • à la présence de masses sous et autour du point de mesure ◮ Introduction de corrections gravimétriques, pour pouvoir comparer des mesures faites dans des conditions différentes. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 16 I - 1 Mise en évidence de la déformation “ ” Anomalie gravimétrique : ∆g = gobs − gtheo + corrections C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 17 I - 1 Mise en évidence de la déformation “ ” Anomalie gravimétrique : ∆g = gobs − gtheo + corrections • gtheo : pris sur une ellipsoïde de référence (forme théorique de la Terre, avec son aplatissement aux pôles) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 17 I - 1 Mise en évidence de la déformation “ ” Anomalie gravimétrique : ∆g = gobs − gtheo + corrections • gtheo : pris sur une ellipsoïde de référence (forme théorique de la Terre, avec son aplatissement aux pôles) • Correction à l’air libre (altitude) → ∆gAL : anomalie à l’air libre (AAL) • Correction de Bouguer (liée aux masses sous le point de mesure) Plateau Air libre h ρp Surface de référence C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 17 I - 1 Mise en évidence de la déformation “ ” Anomalie gravimétrique : ∆g = gobs − gtheo + corrections • gtheo : pris sur une ellipsoïde de référence (forme théorique de la Terre, avec son aplatissement aux pôles) • Correction à l’air libre (altitude) → ∆gAL : anomalie à l’air libre (AAL) • Correction de Bouguer (liée aux masses sous le point de mesure) • Correction de topographie (liée aux masses autour du point de mesure) Ct h ρm ρp Surface de référence C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 17 I - 1 Mise en évidence de la déformation “ ” Anomalie gravimétrique : ∆g = gobs − gtheo + corrections • gtheo : pris sur une ellipsoïde de référence (forme théorique de la Terre, avec son aplatissement aux pôles) • Correction à l’air libre (altitude) → ∆gAL : anomalie à l’air libre (AAL) • Correction de Bouguer (liée aux masses sous le point de mesure) • Correction de topographie (liée aux masses autour du point de mesure) ◮ Anomalie de Bouguer ∆gB : prend en compte toutes ces corrections C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 17 I - 1 Mise en évidence de la déformation Exemple de mesures dans les Rocheuses (Putnam, 1890) : Station Altitude Anomalie à l’air libre Anomalie de Bouguer (m) (mGal) (mGal) Gunnison, CO 2340 -7 -263 Pikes Peak, CO 4293 226 -239 Salt Lake City, UT 1322 -53 -179 C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 18 I - 1 Mise en évidence de la déformation Exemple de mesures dans les Rocheuses (Putnam, 1890) : Station Altitude Anomalie à l’air libre Anomalie de Bouguer (m) (mGal) (mGal) Gunnison, CO 2340 -7 -263 Pikes Peak, CO 4293 226 -239 Salt Lake City, UT 1322 -53 -179 • L’anomalie à l’air libre est faible car il y a compensation isostatique en profondeur. • L’anomalie de Bouguer représente les anomalies de masse en profondeur, quand on “élimine” les reliefs. Ici : déficit de masse en profondeur. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 18 I - 1 Mise en évidence de la déformation Exemple de mesures dans les Rocheuses (Putnam, 1890) : Station Altitude Anomalie à l’air libre Anomalie de Bouguer (m) (mGal) (mGal) Gunnison, CO 2340 -7 -263 Pikes Peak, CO 4293 226 -239 Salt Lake City, UT 1322 -53 -179 • L’anomalie à l’air libre est faible car il y a compensation isostatique en profondeur. • L’anomalie de Bouguer représente les anomalies de masse en profondeur, quand on “élimine” les reliefs. Ici : déficit de masse en profondeur. • Problème à Pikes Peak : ∆gAL ≫ 0 → les anomalies de masse ne sont pas parfaitement compensées partout. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 18 I - 1 Mise en évidence de la déformation La Terre est vue comme un solide élastique par la sismologie, qui se développe rapidement vers la fin du XIXème siècle. • Premier sismogramme enregistré à Potsdam le 17 Avril 1889. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 19 I - 1 Mise en évidence de la déformation La Terre est vue comme un solide élastique par la sismologie, qui se développe rapidement vers la fin du XIXème siècle. • Premier sismogramme enregistré à Potsdam le 17 Avril 1889. • Discontinuité entre la croûte et le manteau repérée par Mohorovic̆ić en 1909. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 19 I - 1 Mise en évidence de la déformation La Terre est vue comme un solide élastique par la sismologie, qui se développe rapidement vers la fin du XIXème siècle. • Premier sismogramme enregistré à Potsdam le 17 Avril 1889. • Discontinuité entre la croûte et le manteau repérée par Mohorovic̆ić en 1909. • Le terme asthénosphère est utilisé par Barrell (1914) pour désigner la région déformable, sous la lithosphère, qui présente une grande résistance aux contraintes. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 19 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Daly (1934) : The Changing World of the Ice Age Décrit la subsidence et le soulèvement liés aux calottes polaires en Amérique du Nord et en Fenno-Scandinavie. ¥ Plages surélevées (ex. Hudson Bay au Canada) ¥ Vallées noyées (ria) (ex. Sud-Ouest des côtes anglaises) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 20 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Daly (1934) : The Changing World of the Ice Age Décrit la subsidence et le soulèvement liés aux calottes polaires en Amérique du Nord et en Fenno-Scandinavie. ¥ Plages surélevées (ex. Hudson Bay au Canada) ¥ Vallées noyées (ria) (ex. Sud-Ouest des côtes anglaises) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 20 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Daly (1934) : The Changing World of the Ice Age Décrit la subsidence et le soulèvement liés aux calottes polaires en Amérique du Nord et en Fenno-Scandinavie. ¥ Plages surélevées (ex. Hudson Bay au Canada) ¥ Vallées noyées (ria) (ex. Sud-Ouest des côtes anglaises) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 20 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Daly (1934) : The Changing World of the Ice Age Décrit la subsidence et le soulèvement liés aux calottes polaires en Amérique du Nord et en Fenno-Scandinavie. ¥ Plages surélevées (ex. Hudson Bay au Canada) ¥ Vallées noyées (ria) (ex. Sud-Ouest des côtes anglaises) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 20 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Il existe des zones noyées et des zones soulevées. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 21 I - 1 Mise en évidence de la déformation • Il existe des zones noyées et des zones soulevées. • Daly (1934) : Modèle lié à l’écoulement visqueux dans le manteau C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 21 I - 1 Mise en évidence de la déformation Déformation de la Terre solide avant 1950 : ¥ A partir des observations de gravimétrie : • Idée que les masses en surface sont compensées en profondeur. • Pour cela : il faut que la Terre ait un certain degré de fluidité. ¥ ¥ Les observations de mouvement de subsidence et soulèvement confirment que la Terre n’est pas parfaitement rigide. A partir du début du XXème siècle : le développement de la sismologie indique la présence de couches de comportements mécaniques variés dans la Terre. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 22 I - Comportement mécanique des couches solides de la Terre I - 1) Mise en évidence de la déformation de la Terre solide I - 2) Mouvements latéraux, convection et tectonique des plaques I - 3) Comportement solide élastique : modèle de structure interne de Terre I - 4) Estimations de la viscosité C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 23 I - 2 Convection et tectonique des plaques ◮ Lent développement des idées pour arriver à l’idée de la convection du manteau. • Terme de “convection” utilisé pour la première fois en 1834 (William Prout), pour désigner le transfert de chaleur autre que la conduction et la radiation. ◮ Idée de convection dans l’intérieur terrestre proposée par W. Hopkins (1839) et O. Fisher (1881). C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 24 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Expériences dans une couche chauffée à la base et froide en surface : J. Thompson (1882) • Première série d’expériences quantitatives : Henri Bénard (1900, 1901) Cellules de convection hexagonales observées par Bénard (1901) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 25 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Expériences dans une couche chauffée à la base et froide en surface : J. Thompson (1882) • Première série d’expériences quantitatives : Henri Bénard (1900, 1901) → Ces cellules de convection étaient en fait dues principalement à des phénomènes de tension de surface. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 25 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Expériences dans une couche chauffée à la base et froide en surface : J. Thompson (1882) • Première série d’expériences quantitatives : Henri Bénard (1900, 1901) → Ces cellules de convection étaient en fait dues principalement à des phénomènes de tension de surface. • Théorie pour décrire quantitativement les conditions nécessaires à la convection : Lord Rayleigh (1916). C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 25 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Expériences dans une couche chauffée à la base et froide en surface : J. Thompson (1882) • Première série d’expériences quantitatives : Henri Bénard (1900, 1901) → Ces cellules de convection étaient en fait dues principalement à des phénomènes de tension de surface. • Théorie pour décrire quantitativement les conditions nécessaires à la convection : Lord Rayleigh (1916). ◮ Mais aucun lien avec la communauté des Sciences de la Terre. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 25 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Parallélisme des côtes de l’Afrique et de l’Amérique du Sud noté très tôt (fin XVIème siècle) Snider-Pellegrini, 1858 C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 26 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Idée de dérive continentale proposée par Eduard Suess (1885-1909) puis Alfred Wegener (1912-1915) Arguments paléontologiques pour l’existence du Gondwana C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 27 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Idée de dérive continentale proposée par Eduard Suess (1885-1909) puis Alfred Wegener (1912-1915) Affleurements de terrains cristallins C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 27 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Idée de dérive continentale proposée par Eduard Suess (1885-1909) puis Alfred Wegener (1912-1915) Affleurements de tillites (formations glaciaires) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 27 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Idée de dérive continentale proposée par Eduard Suess (1885-1909) puis Alfred Wegener (1912-1915) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 27 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Idée de dérive continentale proposée par Eduard Suess (1885-1909) puis Alfred Wegener (1912-1915) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 27 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Idée de dérive continentale proposée par Eduard Suess (1885-1909) puis Alfred Wegener (1912-1915) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 27 I - 2 Convection et tectonique des plaques ¥ Problèmes au début du XXème siècle : • pas de moteurs pour expliquer le déplacement des continents (A. Wegener propose les forces de marée) • développement de la sismologie : manteau vu comme un solide élastique • mais la communauté de la géodésie (forme de la Terre et gravimétrie) reconnaît l’existence d’une asthénosphère déformable C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 28 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Le fait qu’un matériau puisse avoir des propriétés à la fois élastiques et visqueuses est lentement reconnu au cours des années 30-50. • Lien entre convection du manteau et dérive continentale suggéré par Bull (1921, 1931) et Wegener (1929). • Premiers schémas clairs : Holmes (1931, 1933). C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 29 I - 2 Convection et tectonique des plaques ¥ Observations des fonds océaniques dans les années 1960 : • Présence d’une ride médio-océanique. • l’âge des sédiments prélevés est proportionnel à l’éloignement à la ride. Maxwell et al., 1970 C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 30 I - 2 Convection et tectonique des plaques ¥ Observations des fonds océaniques dans les années 1960 : • Présence d’une ride médio-océanique. • l’âge des sédiments prélevés est proportionnel à l’éloignement à la ride. • Cette distribution est symétrique de part et d’autre de la ride. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 30 I - 2 Convection et tectonique des plaques ¥ Observations des fonds océaniques dans les années 1960 : • Présence d’une ride médio-océanique. • l’âge des sédiments prélevés est proportionnel à l’éloignement à la ride. • Cette distribution est symétrique de part et d’autre de la ride. • Des anomalies magnétiques sont enregistrées (liées aux inversions du champ magnétique) Heirtzler, 1966 C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 30 I - 2 Convection et tectonique des plaques ◮ Idée d’expansion des fonds océaniques (e.g. Hess, 1960; Dietz, 1961; Morley, 1963; Vine et Matthews, 1963) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 31 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 32 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) Chaine ereur s Emp des ile Cha ine des iles Haw aii C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre Hawaii 32 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 32 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) • Données de répartition des foyers de séismes : - le long des dorsales - Wadati (1928) et Benioff (1949) : séismes très profonds (600-700 km) sur le pourtour du Pacifique ◮ séismes alignés le long d’un plan : zone de plongement C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 32 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) • Données de répartition des foyers de séismes : - le long des dorsales - Wadati (1928) et Benioff (1949) : séismes très profonds (600-700 km) sur le pourtour du Pacifique ◮ séismes alignés le long d’un plan : zone de plongement C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 32 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) • Données de répartition des foyers de séismes : - le long des dorsales - Wadati (1928) et Benioff (1949) : séismes très profonds (600-700 km) sur le pourtour du Pacifique ◮ séismes alignés le long d’un plan : zone de plongement C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 32 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) • Données de répartition des foyers de séismes : - le long des dorsales - Wadati (1928) et Benioff (1949) : séismes très profonds (600-700 km) sur le pourtour du Pacifique ◮ séismes alignés le long d’un plan : zone de plongement C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 32 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Partie supérieure de la Terre fragmentée en plaques. (McKenzie et Parker, 1967; Morgan, 1968; Le Pichon, 1968) • Cette partie qui se déplace en blocs rigides est la lithosphère. • La déformation se limite principalement aux frontières de plaques. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 33 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Partie supérieure de la Terre fragmentée en plaques. (McKenzie et Parker, 1967; Morgan, 1968; Le Pichon, 1968) • Cette partie qui se déplace en blocs rigides est la lithosphère. • La déformation se limite principalement aux frontières de plaques. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 33 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Partie supérieure de la Terre fragmentée en plaques. (McKenzie et Parker, 1967; Morgan, 1968; Le Pichon, 1968) • Cette partie qui se déplace en blocs rigides est la lithosphère. • La déformation se limite principalement aux frontières de plaques. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 33 I - 2 Convection et tectonique des plaques • Partie supérieure de la Terre fragmentée en plaques. (McKenzie et Parker, 1967; Morgan, 1968; Le Pichon, 1968) • Cette partie qui se déplace en blocs rigides est la lithosphère. • La déformation se limite principalement aux frontières de plaques. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 33 I - 2 Convection et tectonique des plaques Image classique du lien avec la convection : C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 34 I - Comportement mécanique des couches solides de la Terre I - 1) Mise en évidence de la déformation de la Terre solide I - 2) Mouvements latéraux, convection et tectonique des plaques I - 3) Comportement solide élastique : modèle de structure interne de Terre I - 4) Estimations de la viscosité C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 35 I - 3 Structure interne de la Terre • Apport de la sismologie pour connaître la structure interne de la Terre • Différents types d’ondes sont enregistrés par des sismomètres • Représentation graphique : sismogrammes C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 36 I - 3 Structure interne de la Terre • Apport de la sismologie pour connaître la structure interne de la Terre • Différents types d’ondes sont enregistrés par des sismomètres • Représentation graphique : sismogrammes C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 36 I - 3 Structure interne de la Terre • Apport de la sismologie pour connaître la structure interne de la Terre • Différents types d’ondes sont enregistrés par des sismomètres • Représentation graphique : sismogrammes • La vitesse de propagation des différents types d’ondes dépend de la densité et des propriétés élastiques du milieu traversé. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 36 I - 3 Structure interne de la Terre Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 37 I - 3 Structure interne de la Terre Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 37 I - 3 Structure interne de la Terre Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 37 I - 3 Structure interne de la Terre Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 37 I - 3 Structure interne de la Terre Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 37 I - 3 Structure interne de la Terre Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 37 I - 3 Structure interne de la Terre Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 37 I - 3 Structure interne de la Terre Propagation des ondes Station Rai Epicentre Hypocentre Front d’onde C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 37 I - 3 Structure interne de la Terre Propagation des ondes Station Rai Epicentre Hypocentre ∆ ∆ : distance Front d’onde épicentrale C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 37 I - 3 Structure interne de la Terre • Front d’onde : surface sphérique centrée sur la source et partant dans toutes les directions • Rais : lignes reliant la source à la station, et perpendiculaires au front d’onde • Hypocentre : lieu de la source • Epicentre : projection de l’hypocentre à la surface • Distance épicentrale : l’angle, depuis le centre de la Terre, entre l’hypocentre/épicentre et la station sismologique C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 38 I - 3 Structure interne de la Terre ¥ Ondes de volume : • Ondes P (“Premières”) : - ondes de compression-dilatation - le mouvement des particules est parallèle à la direction de propagation de l’onde • Ondes S (“Secondes”) : - ondes de cisaillement - le mouvement des particules est perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde ¥ Ondes de surface : - ondes générées par les interférences entre les ondes de volume - circulent le long de la surface de la Terre - amplitude décroît exponentiellement avec la profondeur C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 39 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes P • Mouvt dans la direction de propagation • Ondes rapides (5.5 à 12 km.s-1 ) • Se propagent dans les solides et les fluides C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 40 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre Ondes S • Mouvt ⊥ à la direction de propagation • Ondes moins rapides (3.5 à 6 km.s−1 ) • Ne se propagent que dans les solides • Décrites selon deux composantes : SH et SV C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 41 I - 3 Structure interne de la Terre P Ondes P : premières, bien visibles sur composante verticale, et contenu haute fréquence C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 42 I - 3 Structure interne de la Terre S Ondes S : visibles sur composantes horizontales, et contenu plus basse fréquence C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 42 I - 3 Structure interne de la Terre • La vitesse des ondes P et S augmentent avec la pression (profondeur) • Deux couches qui ont des vitesses (Vp et Vs ) différentes sont séparées pour une discontinuité (ou interface) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 43 I - 3 Structure interne de la Terre • La vitesse des ondes P et S augmentent avec la pression (profondeur) • Deux couches qui ont des vitesses (Vp et Vs ) différentes sont séparées pour une discontinuité (ou interface) • Loi de Snell-Descartes : sin i1 V1 = sin i2 V2 i1 V1 V 2 V 1 C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre i2 43 I - 3 Structure interne de la Terre • La vitesse des ondes P et S augmentent avec la pression (profondeur) • Deux couches qui ont des vitesses (Vp et Vs ) différentes sont séparées pour une discontinuité (ou interface) • Loi de Snell-Descartes : sin i1 V1 = sin i2 V2 i1 V1 V 2 V 1 i2 C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 43 I - 3 Structure interne de la Terre • La vitesse des ondes P et S augmentent avec la pression (profondeur) • Deux couches qui ont des vitesses (Vp et Vs ) différentes sont séparées pour une discontinuité (ou interface) • Loi de Snell-Descartes : sin i1 V1 = sin i2 V2 ◮ La propagation des ondes peut être modélisée par des couches minces telles que - soit la différence de vitesse entre deux couches successives est faible : −→ changement graduel de vitesse - soit le saut de vitesse entre deux couches est grand ou inversé : −→ discontinuité entre les deux couches V1 V2 > V1 V3 > V2 V4 > V3 C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 43 I - 3 Structure interne de la Terre • La vitesse des ondes P et S augmentent avec la pression (profondeur) • Deux couches qui ont des vitesses (Vp et Vs ) différentes sont séparées pour une discontinuité (ou interface) • Loi de Snell-Descartes : sin i1 V1 = sin i2 V2 ◮ La propagation des ondes peut être modélisée par des couches minces telles que - soit la différence de vitesse entre deux couches successives est faible : −→ changement graduel de vitesse - soit le saut de vitesse entre deux couches est grand ou inversé : −→ discontinuité entre les deux couches V1 V2 > V1 V3 V2 V4 > V3 > C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 43 I - 3 Structure interne de la Terre Temps de parcours Si la Terre était uniforme, avec simplement Vp et Vs augmentant avec la profondeur : Vs Temps d’arrivée ¥ Vp Distance épicentrale Courbe t = f(∆) : Hodochrone C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 44 I - 3 Structure interne de la Terre Noyau 104 Manteau o Zone d’ombre ondes P 140 Temps d’arrivée En présence d’un noyau liquide : Vs Vp o Zone d’ombre ondes S 104 o 140 o Distance épicentrale C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 45 I - 3 Structure interne de la Terre Nomenclature : • Ondes réfractées • Ondes réfléchies ⊲ Ondes traversant ⊲ Ondes se réfléchissant ◦ le manteau : P ou S ◦ sur le noyau : c ◦ le noyau liquide : K ◦ sur la graine : i ◦ la graine solide : I ◦ sur la surface libre : P ou S C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 46 I - 3 Structure interne de la Terre Nomenclature : • Ondes réfractées • Ondes réfléchies ⊲ Ondes traversant ⊲ Ondes se réfléchissant ◦ le manteau : P ou S ◦ sur le noyau : c ◦ le noyau liquide : K ◦ sur la graine : i ◦ la graine solide : I ◦ sur la surface libre : P ou S C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 46 I - 3 Structure interne de la Terre • Table de Jeffreys-Bullen • Temps de parcours des différentes phases • Ondes de volume : courbes • Ondes de surface : droites C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 47 I - 3 Structure interne de la Terre • Table de Jeffreys-Bullen • Temps de parcours des différentes phases • Ondes de volume : courbes • Ondes de surface : droites C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 47 I - 3 Structure interne de la Terre Remarque : la différence de temps d’arrivée des ondes P et S est utilisée pour localiser les séismes. C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 48 I - 3 Structure interne de la Terre Modèle PREM : Preliminary Reference Earth Model (Dziewonski et Anderson, 1981) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 49 I - 3 Structure interne de la Terre Vitesse (km.s−1 ) / densité (g.cm−3 ) 0 2 4 6 8 10 Vp Profondeur (km) Vs 2000 12 ρ Manteau 4000 ρ Vs Vp Noyau liquide Graine Modèle PREM : Preliminary Reference Earth Model (Dziewonski et Anderson, 1981) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 49 I - 3 Structure interne de la Terre • Premières dizaines de kilomètres : Discontinuités chimiques continent océan croute Discontinuités thermo−mécaniques (km) 0 10 40 MOHO manteau manteau lithosphérique lithosphère 100−200 LOW VELOCITY ZONE manteau asthénosphérique asthénosphère • Moho : discontinuité chimique entre croûte (SiO 2 , Al 2 O 3 ) et manteau ((Mg,Fe) 2 SiO 4 ) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 50 I - 3 Structure interne de la Terre • Premières dizaines de kilomètres : Discontinuités chimiques continent océan croute Discontinuités thermo−mécaniques (km) 0 10 40 MOHO manteau manteau lithosphérique lithosphère 100−200 LOW VELOCITY ZONE GRANITE manteau asthénosphérique MOHO (croute continentale) PERIDOTITE asthénosphère (manteau) • Moho : discontinuité chimique entre croûte (SiO 2 , Al 2 O 3 ) et manteau ((Mg,Fe) 2 SiO 4 ) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 50 I - 3 Structure interne de la Terre • Premières dizaines de kilomètres : Discontinuités chimiques continent océan croute Discontinuités thermo−mécaniques (km) 0 10 40 MOHO manteau manteau lithosphérique lithosphère 100−200 LOW VELOCITY ZONE manteau asthénosphérique asthénosphère • Moho : discontinuité chimique entre croûte (SiO 2 , Al 2 O 3 ) et manteau ((Mg,Fe) 2 SiO 4 ) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 50 I - 3 Structure interne de la Terre • Premières dizaines de kilomètres : Discontinuités chimiques continent océan croute Discontinuités thermo−mécaniques (km) 0 10 40 MOHO manteau manteau lithosphérique lithosphère 100−200 LOW VELOCITY ZONE manteau asthénosphérique asthénosphère • Moho : discontinuité chimique entre croûte (SiO 2 , Al 2 O 3 ) et manteau ((Mg,Fe) 2 SiO 4 ) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 50 I - 3 Structure interne de la Terre • Premières dizaines de kilomètres : Discontinuités chimiques continent océan croute Discontinuités thermo−mécaniques (km) 0 10 40 MOHO manteau manteau lithosphérique lithosphère 100−200 LOW VELOCITY ZONE manteau asthénosphérique asthénosphère • Discontinuité lithosphère-asthénosphère : baisse des vitesses sismiques (LVZ). T ≃ 1300◦ C : comportement plus ductile de la péridotite (roche = olivine+pyroxène) C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 50 I - 3 Structure interne de la Terre • Après quelques centaines de kilomètres olivine α olivine β olivine γ 410km 660km pérovskite + magnésiowustite 410 km ◮ Transitions de phase : Ol α −−−−→ Ol β (wadsleyite) Ol β −→ Ol γ (ringwoodite) 660 km −−−−→ Pv + Mw Pv : Pérovskite; Mw : Magnésiowüstite C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 51 I - 3 Structure interne de la Terre Discontinuités “410” et “660” défléchies le long des zones de subduction C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 52 rm he ot Gé Su bd uc tio n en or m al I - 3 Structure interne de la Terre Discontinuités “410” et “660” défléchies le long des zones de subduction C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 52 rm he ot Gé Su bd uc tio n en or m al I - 3 Structure interne de la Terre Discontinuités “410” et “660” défléchies le long des zones de subduction C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 52 I - 3 Structure interne de la Terre 410 • Transition Ol α −−→ Ol β : - pente de Clapeyron positive “ dP ” dT 410 660km - transition exothermique olivine α olivine β olivine γ 410km pérovskite + magnésiowustite 660 • Transition Ol γ −−→ Ol β : - pente de Clapeyron “ dP ” dT 660 négative - transition endothermique C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 53 I - 3 Structure interne de la Terre 410 • Transition Ol α −−→ Ol β : - pente de Clapeyron positive “ dP ” dT 410 α olivine β olivine γ 410km 660km - transition exothermique olivine pérovskite + magnésiowustite ρα ρβ ργ ρ PV ρα < ρβ ρ γ < ρ PV 660 • Transition Ol γ −−→ Ol β : - pente de Clapeyron “ dP ” dT 660 négative - transition endothermique C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 53 I - 3 Structure interne de la Terre 410 • Transition Ol α −−→ Ol β : - pente de Clapeyron positive “ dP ” dT 410 α olivine β olivine γ 410km 660km - transition exothermique olivine pérovskite + magnésiowustite ρα ρβ ργ ρ PV ρα < ρβ ρ γ < ρ PV 660 • Transition Ol γ −−→ Ol β : - pente de Clapeyron “ dP ” dT 660 négative - transition endothermique C.Grigné - M2 GM - Déformation et mouvements dans la Terre 53
