T1_C2_La dynamique interne de la Terre
T1_C2_1_La structure du globe terrestre
T1_C2_1_2 L’apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre
Connaissances
Un séisme résulte de la libération brutale d’énergie (foyer sismique) lors de la rupture et le déplacement de roches (faille) soumises à des contraintes (pression).
Les informations tirées du trajet (réflexion et réfraction des rais sismiques, les "zones d'ombre") et de la vitesse (saut de vitesse, ralentissement) des ondes sismiques P et S permettent de comprendre la structure interne de la Terre. Ces informations argumentent :
(1) un modèle sismique simple de 3 enveloppes concentriques (croûte – manteau – noyau) : c'est le modèle PREM [ pour Preliminary Reference Earth Model].
(2) un comportement mécanique différent dans le manteau permet de distinguer la lithosphère (croûte+manteau rigide et cassant, environ 100km d'épaisseur) et l'asthénosphère (manteau ductile "mou"). La limite lithosphère/asthénosphère (début du ralentissement des ondes sismique) correspond à l'isotherme 1300°C
Les études sismologiques montrent les différences d’épaisseur entre la lithosphère océanique et la lithosphère continentale, respectivement 80-100 km et 100-120 km.
La température interne de la Terre croît avec la profondeur (gradient géothermique : T=f(prof)). Le profil d’évolution de la température interne présente des différences suivant les enveloppes internes de la Terre, liées aux modes de transfert thermique : la conduction et la convection. Le manteau terrestre est animé de mouvements de convection, mécanisme efficace de transfert thermique.
La propagation des ondes sismiques dans la Terre révèle des anomalies de vitesse par rapport au modèle PREM : c'est la méthode de Tomographie sismique. Elles sont interprétées comme des hétérogénéités thermiques au sein du manteau.
Notions fondamentales : contraintes, transmission des ondes sismiques, failles, réflexion, réfraction, zones d’ombre.
Capacités
- Consulter et exploiter une base de données sismologiques.
- Traiter des données sismologiques.
- Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs
d’expérimentation assisté par ordinateur, ou des microcontrôleurs pour étudier la propagation d’ondes à travers des matériaux de nature pétrographique différente ou de comportement mécanique différent.
- Étudier par expérimentation assistée par ordinateur et/ou par modélisation analogique les paramètres à l’origine des modifications de la vitesse des ondes (nature du matériau, de sa rigidité/plasticité, effet de la température).
- Étudier la propagation profonde des ondes (zone d’ombre, mise en évidence des discontinuités) en utilisant les lois de Snell-Descartes et/ou mettant en œuvre un modèle analogique pour montrer les zones d’ombre.
- Utiliser des profils de vitesse et de densité du modèle PREM.
- Analyser des courbes d’augmentation de la température en fonction de la profondeur (mines, forages) ; croiser des données thermiques, des données de composition chimique, avec les données sismiques pour comprendre le modèle de la structure thermique de la Terre.
- Calculer la température au centre de la Terre en utilisant le gradient géothermique de surface et apprécier sa validité au regard de l’état physique des matériaux.
- Réaliser des modèles analogiques pour appréhender la conduction et la convection.
- Montrer l’existence d’hétérogénéités thermiques dans le manteau par des données de tomographies sismiques, tout en attirant l’attention sur l’amplitude des variations par rapport au modèle PREM.
