Sur cette diapo on vous montre l'arrivée des ondes P et S dans une station,
soigneusement choisie ; mais qu'en est-il lorsqu'on regarde pour de vrai ce qui se passe des stations proches jusqu'au plus lointaines ?
On voit des paquets d'ondes qui ne se déplacent pas à la même vitesse.
Quelle théorie pour rendre compte de cela ?
Les ondes sont des ondes, et obéissent à des lois proches de celles qui sont
valables pour des rayons lumineux.
problème
Le modèle de Oldham-
Gutenberg : en 1906 Oldham le propose (retard d’une
dizaine de minutes pour des distances épicentrales
supérieures à 120-130°) , en 1912 Gutenberg rectifie la profondeur (début du
décrochage pour 105°).
Regardons bien les différentes ondes
Pour une grande majorité de sismologues du début du siècle, le globe est entièrement solide et le noyau possède même une
rigidité supérieure à celle de l’enveloppe. Si les ondes S
traversant le noyau ne sont pas directement observées, c’est parce que la qualité des sismogrammes n’est pas encore
suffisante pour les détecter mais leur existence n’est pas mise en doute....
En 1926 Jeffreys (1891-1989) prouve la fluidité du noyau
métallique. Il ne s’appuie pas sur l’absence de transmission des ondes S (qui est aujourd’hui le critère habituel de la fluidité) mais sur un raisonnement indirect, en montrant que la rigidité déduite de la propagation des ondes dans l’enveloppe est supérieure à la rigidité déduite de l’étude de la déformation élastique de la Terre sous l’influence des marées. L’opinion de Jeffreys est rapidement adoptée par la communauté scientifique.
et
Et les bleues ?
Les ondes S ne peuvent pas exister dans un milieu liquide.
Digression : traitement et analyse du signal.
Nous avons un signal + ou – périodique.
Il existe un procédé mathématique (la transformée de Fourier qui permet de l'exprimer comme une somme de
fonctions sinusoïdales :
En 1936, Inge Lehmann (1888-1993) découvre que le noyau liquide de la Terre contient une partie centrale
distincte : la graine. La " zone d’ombre " entre 105 et 142°
n’est pas entièrement vide mais on y observe l’arrivée
d’ondes P, interprétées comme des ondes diffractées à la frontière du noyau. Lehmann montre que ces ondes
reçoivent une explication bien plus satisfaisante si l’on suppose qu’elles ont été réfléchies à la surface d’une partie centrale. L’interprétation est reçue avec
enthousiasme et les dimensions de la graine sont fixées par Gutenberg en 1938 et par Jeffreys en 1939 entre
1200 et 1250 km (la détermination actuelle est de 1221 km).
Ce modèle correspond bien aux données expérimentales.
Zone
d'ombre
Gutenberg 1923
La croute
Nous avons donc un modèle avec un manteau rigide,
un noyau liquide
et une graine solide. :
Lehman 1936
Abondance dans l'univers (échelle log)
Loi de Birch
Nous avons un manteau rigide de
3000 km d'épaisseur environ. (Plus un noyau liquide et une graine solide).
Il est donc hors de question que les
continents se déplacent en flottant sur de la roche fondue. Wegener doit se tromper complètement !
Schéma de Holmes 1944
Comment va-t-on revenir à un schéma mobiliste ?
Le manteau est visqueux : la scandinavie remonte depuis la fin de la dernière
glaciation.
Viscosité de l'eau : unité = Pa.s
0°C 1,793 × 10E-3 20°C 1,002 × 10E-3 50°C 0,5470 × 10E-3 100°C 0,2818 × 10E-3
Viscosité
unité = Pa.s
huile d'olive 0.1
miel 2 à 10 chocolat fondu 1000 verre fondu 10000
La viscosité du verre solidifié, à
température ordinaire, est de l'ordre de 10E19 à 10E20.
Le manteau est visqueux : la scandinavie remonte depuis la fin de la dernière
glaciation.
Vers 1936, Haskel avance une première valeur.
La viscosité du manteau supérieur est de l'ordre de 10E21 Pa.s. C'est à dire 10 à 100 fois plus que le
verre froid. La viscosité du manteau inférieur est 4 à 50 fois plus élevée que la viscosité du manteau
supérieur.
Peut-il y avoir une convection ? On peut répondre en fonction du nombre de Reynolds qui
caractérise l'écoulement des fluides. (CF TPE golf)
avec ρ la masse volumique, g la force de gravité, α un coefficient d'expansion thermique, ΔT la
différence de température entre le haut et le bas de la couche, κ la
diffusivité thermique et η la viscosité (dynamique)
ΔT représente la différence de température entre la base (2 885 km) et la surface du
manteau (660 km), soit une profondeur d = 2
225 km. Ce paramètre est difficile à estimer car il est impossible d’effectuer des mesures
directes, mais il est possible de l’estimer par le flux de chaleur du manteau.
La température terrestre à 660 km de profondeur peut être estimé à 1500 K
À la limite manteau supérieur – manteau inférieur, → une température de 1 830 K.
la température de la base du manteau est comprise entre 2 000 K et 5 000 K.
Pour la Terre, le nombre de Rayleigh
précédemment défini vaut 10E8 ( soit 100
millions). Il est donc bien supérieur au nombre de Rayleigh critique – de l'ordre de 1000. Donc, le manteau terrestre solide convecte sans
aucun problème. À l'échelle géologique, le manteau se comporte comme un liquide.
