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Les ondes P et les ondes S

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

Géophysique

(2)

I. Géophysique interne

(3)

I. Géophysique interne

1. Etude des ondes sismiques - Structure interne de la Terre

(4)

Structure interne de la Terre

(5)

Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Les ondes mécaniques requièrent un milieu de propagation tandis que les ondes électromagnétiques peuvent se propager dans le vide.

Parmi les ondes sismiques, on distingue plusieurs catégories d'ondes dont les ondes P et les ondes S.

Les ondes P sont des ondes longitudinales; les particules du milieu de propagation se déplacent localement, autour de leur position initiale, selon la direction de propagation de l’onde.

Les ondes S sont des ondes transversales; les points du milieu de propagation se déplacent localement, autour de leur position initiale, perpendiculairement à la direction de propagation de l’onde.

Les ondes P et les ondes S

(6)

Ondes sismiques P et S

(7)

Ondes de surface

Ondes de volume

(8)

Modules d’élasticité  et 

 = 

Module de rigidité (de cisaillement)

Module d’incompressibilité K

 P = K r / r

 = K – 2/3 

Fluide   = 0

 Vs = 0

(9)

Les lois de Snell-Descartes

2 1  

2 1 2

1

v v sin

sin 

v1

v2

(10)

La réflexion totale

 

 

 

2 1 lim

arcsin

v

v

v2 v1<v2

(11)

Excitation d’une onde S par une onde P

Le front d'onde est la surface d'isopression ou isodéplacement. On définit le rai sismique (ou la direction de propagation de l'onde) comme la perpendiculaire au front d'onde.

Lorsque l'onde arrive sur l'interface, du fait de l'inclinaison du rayon incident, les points A et B ne reçoivent pas la même contrainte (la phase de l’oscillation est différente en A et en B) à un instant donné. La surface ne se déplace donc pas de la même quantité en A et en B. Ce mouvement différentiel ne se produit pas selon la direction de propagation de l’onde P et est source d'une onde S qui se propage dans le solide.

Ainsi, une onde P incidente excite une onde P et une onde S au passage de l'interface.

(12)

Trajectoire, temps d’arrivée et vitesse des ondes sismiques

Loi de Snellius Descartes : r sini/V(r) = p = cst.

t - temps de détection en S D - angle au centre FS

R – rayon de la Terre

i - inclinaison par rapport à la normale V - vitesse

V(rmin): vitesse à la profondeur maximum

http://junon.u-3mrs.fr/ms01w004/web-edu-sismo/sism-ecole.html

dt/dD = p = R sini/V(R) = rmin / V(rmin)

(13)

V

V r0

Dans la sphère de rayon r0, on suppose V = V(r0) = Vmax

On s’attend à surestimer Dt :

(si V continue à augmenter)

Prédiction de l’existence d’un noyau fluide

noyau fluide =0

Dtprédit > Dtobservé

graine « solide »

(~ sable) Dtprédit < Dtobservé

Dans la sphère de rayon r0, V < V(r0) = Vmax

Gutenberg trouve au contraire:

Expérience de B. Gutenberg (1912)

Interprétation comme noyau liquide : H. Jeffreys (1926)

+ Amande,

cristal anisotrope ?

(14)

V km/s

Profondeur km

Vitesse des ondes P et S

(15)

Vitesse des ondes P et S

LVZ : low velocity zone

Mohorovičić

(16)

Asthénosphère

(17)

Structure interne de la Terre

(18)
(19)

P onde P dans le manteau

S onde S dans le manteau

K onde P dans le noyau externe

I onde P dans le noyau interne

J onde S dans le noyau interne

c réflexion sur l'interface manteau-noyau externe

i réflexion sur l'interface noyau externe- noyau interne

p réflexion des ondes P à la surface du globe, à proximité du séisme

s réflexion des ondes S à la surface du globe, à proximité du séisme

(20)

Nomenclature des ondes P et S

Pp

P PKP

PKIKP

PKIKPPKIKP S

Sp

Séisme P K I K P

K P

P

K I

(21)

Ondes P

Ondes S

ombre ombre

ombre

(22)

Zone d’ombre

Les zones d’ombres permettent de localiser avec précision les discontinuités de Gutenberg et Lehman

(23)

L’équation d’Adams - Williamson

Hypothèse : - corps barotrope, P = P(r),

- zone de composition chimique constante

Equation à résoudre sur chaque zone de composition chimique donnée + traitement des discontinuités sur base d’autres contraintes

(24)

Oscillations libres de la Terre

(25)

Oscillations libres de la Terre

(26)

Profil de densité

(27)

Expériences statiques de compression

T

P

Structure cristalline

(28)

Expériences statiques de compression

(29)

Le noyau doit

être enrichi en Fe Beaucoup moins de Fe

(30)

~ 10 millions d’années après sa formation

Scénario privilégié

(31)
(32)

Aspects énergétiques

Sources d’énergie

- Radioactivité (Thorium, Uranium, Potassium)

L’énergie produite par une couche de 20 km composée de roches ayant

une proportion d’éléments radioactifs naturels typiques des valeurs observées suffit à expliquer le flux observé en provenance des régions profondes

Important uniquement dans les couches superficielles - Libération d’énergie potentielle gravifique

- Réservoir d’énergie interne Lent refroidissement Voir convection chimique

L’apport d’énergie en provenance du soleil est ~ 5000 fois plus élevé que celui en provenance du coeur de la terre

(33)

Aspects énergétiques

Transport d’énergie

- Conduction: faible car roches = mauvais conducteurs de chaleur

Si on chauffe d’un côté une plaque de roche de 400 km d’épaisseur, il faut attendre 5 milliards d’années pour que la chaleur soit transmise de l’autre côté. L’inertie thermique des mines, … l’atteste.

- Rayonnement: négligeable car roches très opaques

- Convection Convection thermique dans le manteau, Dérive des continents

Convection thermo-chimique dans le noyau liquide Magnétisme

(34)

Aspects énergétiques

Transport d’énergie

Convection chimique dans le noyau liquide

Fe 100%

FeS 0%

Fe 0%

FeS 100%

1) Noyau entièrement liquide

2) Solidification de Fe il précipite alimente la convection chimique

3) Proportion Fe-FeS eutectique Fe et FeS précipitent ensembles 4) Refroidissement du noyau solide

1)

2) 3) 4)

Composition du noyau externe : alliage de fer et d'éléments plus léger tels que le silicium,

l'oxygène, le soufre, le carbone.

Composition de la graine : plus riche en fer.

(35)

Aspects énergétiques

Profil de température

Température de la lave

Température requise pour changement de phase Température requise

pour passage à l’état liquide Température requise

pour passage à l’état solide

(36)

Fe liquide

Fe solide

(37)

I. Géophysique interne

2. Le champ magnétique de la Terre

(38)

Le champ magnétique de la Terre

(39)

déclinaison : angle entre NSmag et NSgéo

inclinaison : angle entre le plan horizontal et la tangente à la ligne de champ

(40)

Courbes d’iso-déclinaison

(41)

La dynamo auto-excitée

B v

q

F  

v F

* B B

2 dynamos couplées

(42)

Conditions

1. Champ magnétique initial 2. Fluide conducteur

3. Rotation

4. Mouvements convectifs

Milieu conducteur

Noyau Fe

Rotation de la Terre

Convection chimique

(43)

Simulation numérique de la dynamo

(44)

Londres

Toronto Variation séculaire du champ magnétique terrestre

(45)

Au dessus du point de Curie, ~ 500K, un matériau ferromagnétique perd son aimantation et devient paramagnétique.

Si le refroidissement a lieu en présence d’un champ magnétique, le matériau s’aimante dans la direction de ce champ magnétique ambiant.

Magnétisme thermorémanent

Des roches ferromagnétiques échauffées et puis refroidies sous le point de Curie peuvent ainsi se souvenir du champ magnétique terrestre règnant à l’époque de leur dernier refroidissement.

(46)

Volcans

Inversions du champ magnétique

(47)

Inversions du

champ magnétique

Il y a 15 millions d’années

Les points sont séparés de 500 ans et la durée totale est de 15 000 ans

(48)
(49)

Simulation d’une inversion du champ magnétique

(50)

Fonds océaniques Anomalies magnétiques

(51)

Anomalies magnétiques Fonds océaniques

(52)

Déplacement des pôles magnétiques

Des roches présentant une inclinaison nulle sont situées

à l’équateur magnétique de l’époque du dernier refroidissement

E - Eocène 50 Ma J - Jurassique 175 Ma T - Triassique 225 Ma P - Permien 260 Ma Ca - Carbonifère 320 Ma S - Silurien 420 Ma Cb - Cambrien 530 Ma

Références

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