Structure du globe
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Nos connaissances sur la structure internet du globe terrestre reposent sur un ensemble varié de données: analyse des roches volcaniques, des météorites, étude des manifestations sismiques. C'est cette dernière discipline, la sismologie, qui a permis de comprendre l'organisation interne de notre planète. En effet, les ébranlements qui prennent naissance au foyer d'un séisme se propagent à l'intérieur du globe et leur enregistrement permet aux spécialistes d'obtenir une véritable "échographie" des différents milieux traversés.
Sommaire |
[modifier] "L'auscultation" sismique de la Terre
[modifier] Différents types d'ondes sismiques
- Un séisme correspond à la rupture des roches soumises à des tensions qui s'accumulent pendant des années, voire des siècles, dans les zones de l'écorce terrestre soumises à des contraintes tectoniques. L'énergie accumulée pendant toute la période de déformation élastique des roches est alors brutalement libérée au foyer du séisme. Elle est transportée sur de très grandes distances par les vibrations ou ondes sismiques émises dans toutes les directions à partir du foyer.
- Les sismographes disposés "un peu partout" à la surface du globe enregistrent les passages de ces ondes. Ces appareils très sensible permettent d'analyser les mouvements du sol dans les différentes directions et de chronométrer le temps d'arrivée des trains d'ondes successifs qui sont habituellement observés.
- Trois groupes de vibrations décalés dans le temps se succèdent avec des caractéristiques vibratoires différentes:
- les ondes P, les plus rapides, sont des ondes longitudinales de compression-dilatation qui se propagent dans les solides et les fluides.
- Les ondes S, plus lentes, sont des ondes transversales de cisaillement qui ne peuvent se propager que dans les solides.
- Les ondes L, les moins rapides, mais les plus destructrices sont à l'origine de mouvements très complexes du sol.
Par ailleurs, si les ondes L ne se propagent que dans les couches superficielles du globe, les onde P et S en revanche traversent le globe terrestre et leur étude fournit des renseignements sur la strcutre internet de notre planète.
[modifier] Des informations apportées par l'étude du trajet des ondes sismiques
- La propagation des ondes sismiques dans les différents milieux du globe terrestre obéit à des lois comparables à celles qui décrivent la propagation de la lumière au sein de divers milieux transparants. Par analogie avec les rayons lumineux, on parle de raies sismiques pour désigner les trajectoires suivies par les vibrations sysmiques. Nous savons d'une part que la vitesse de propagation de la lumière n'est pas la même dans tous les milieux transparants, d'autre part qu'une variation de cette vitesse impose un changement de trajectoire des rayons lumineux. Ce changement de direction peut être progressif si le milieu se modifie lui même progressivement ( de l'air de plus en plus chaud par exemple) ; il peut être brutal si la lumière passe d'un milieu à un autre (de l'air dans l'eau par exemple) . De la même façon, lorsqu'une onde sismique passe d'un milieu à un autre, sa vitesse de propagation est modifiée et sa trajectoire déviée: c'est le phénomène de réfraction. A leur niveau, les ondes sismiques sont d'une part réfractées (en changeant de milieu ) et d'autre part réfléchies (en restant dans le même milieu).
Les lois de Descartes appliquées au raies sismiques établissent les relations mathématiques les angles d'incidence, de réflexion, de réfraction et les vitesse de propagation de part et d'autre d'une surface de discontinuité. On peut ainsi connaître les grandes lignes de l'architecture interne du globe.
- L'étude du trajet des ondes révèlent des discontinuités. A partir du foyer, les ondes sismiques se propagent dans toutes les directions. Elles atteignent ainsi en premier lieu le point situé à la vertical ou épicentre, puis progressivement les vibrations se propagent à l'ensemble du globe. Les stations proches de l'épicentre reçoivent des ondes directes mais aussi de nombreux échos rapprochés de ces ondes: les sismologues interprètent ces échos comme le résultat d'une réflexion des ondes sur une surface de discontinuité. Cette discontinuité appelée Moho marque la limite sismique entre la croûte terrestre et le manteau suéprieur. Sa profondeur est variable: 7 à 12 km sous les océans, 30 à 40 km sous les continents (et jusqu'à 70 km sous les chaînes de montagnes). Les stations éloignées de l'épicentre enregistrent des ondes P et S qui ont traversées des zones profondes du globe, zones d'autant plus profondes que ces ondes rejoignent la surface loin du foyer sismique. Or, pour chaque séisme, il existe une large zone du globe où les ondes P et S directes ne sont pas reçues: c'est la zone d'ombre qui forme un "anneau de silence sismique" s'étendant entre 105° et 142° de distance augulaire à l'épicentre. Cette zone d'ombre révèle la présence d'une surface de discontinuité majeure, la discontinuité de Gutemberg, située à 2900 km de profondeur, elle marque la limite entre le manteau profond et le noyau terrestre.
[modifier] Des informations apportées par l'étude des vitesses des ondes sismiques
- La vitesse moyenne de chaque type d'onde sismique est facile à calculer si on connaît l'heure précise d'un séisme, les temps d'arrivée des ondes à une station et la distance de cette station à l'épicentre. On sait déjà que les ondes P sont les plus rapides suivies par les ondes S puis par les ondes L. Un calcul précis des vitesses moyennes de ces différentes ondes indique que les ondes de surface ou ondes L se propagent à vitesse à peu près constante alors que les ondes P et S ont une vitesse moyenne d'autant plus grande que la distance parcourue est importante. Ce constat est à mettre en relation avec le fait que les ondes L se propagent uniquement dans la croûte terrestre alors que les ondes P et S pénètrent d'autant plus profondément à l'intérieur du globe que leur trajet est long. Ceci revient à dire que plus une onde P, ou S, passe en profondeur dans le globe, plus sa vitesse moyenne est élévée, ce qui mathématiquement s'explique par une vitesse plus élevée dans les zones profondes que dans les zones superficielles.
- Les ondes L superficielles sont un peu plus rapides sous les océeans que sous les continents. Cela suggère l'existence de différences de nature entre croûte océanique et croûte continentale, ce qui confirme l'étude des vitesses des autres type d'ondes.
- Les ondes P et S pénètrent l'interieur gu globe et l'étude des variations de leurs vitesses révèle certaines caractéristiques des milieux traversés. C'est ainsi par exemple:
- que la traversée du Moho se traduit par une franche accélération des ondes: c'est la preuve que Moho n'est pas seulement une discontinuité physique mais aussi une discontinuité chimique, c'est-à-dire un changement de nature entre les matériaux de la croûte et ceux du manteau supérieur;
- que la vitesse moyenne des ondes est d'autant plus grandes qu'elles pénètres profondément dans le manteau, ce qui est lié à l'augmentation de la densité des roches avec la profondeur;
- que les ondes S ne traversent pas la discontinuité de Gutenberg, ce qui montre que le noyau terrestre est liquide, au moins dans sa partie externe.
L'ensemble des données recueillies par les sismologues permet ainsi de préciser la structure interne de notre planète.
[modifier] Une structure en couches concentriques
[modifier] Une symétrie sphérique
L'étude des séismes montre que, quelle que soit la localisation géographique du séismes, les lois de la transmissions des ondes sismiques restent les mêmes. Ceci prouve que la structure profonde du globe présente une symétrie sphérique: cela revient à dire que le globe est constitué de couches concentriques. La vitesse de propagation des ondes P et S ne varient pas régulièrement avec la profondeur : les irrégularités constatées correspondent à des modifications de la nature des matériaux ou à des changements physiques (variations de pression par exemple).
[modifier] Trois discontinuités majeures
- Entre 7 et 60 km de profondeur, Moho marque la limite entre la croûte terrestre et le manteau. Cette discontinuité correspond essentiellement à une variation dans la composition chimique des matériaux. Il n'y a pas ici de changement d'état de la matière qui reste solide.
- Entre 100 et 200 km de profondeur, les vitesses des ondes P et S marquent un net fléchissement : c'est la LVZ ( = Low Velocity Zone) qui marque la limite inférieure de la litosphère rigide. A ce niveau, sous l'action combinée de la pression et de la température, les matériaux du manteau deviennent ductiles (c'est à dire plus déformables) . Cet état physique particulier se maintient jusque vers 670 km de profondeur, puis le manteau se comporte à nouveau comme un solide vis-à-vis des ondes sismiques. Les données sismiques permettent donc de distinguer dans le manteau, un manteau supérieur ductile ou asthénosphère et un manteau inférieur.
- Vers 2900 km de profondeur, la discontinuité de Gutenberg marque la frontière entre le manteau et le noyau.
Remarque: une analyse fine des données permet enfin de de mettre en évidence une dernière discontinuité vers 5000 km de profondeur qui délimite une graine solide au coeur du noyau liquide.
[modifier] La structure interne du globe s'explique par son histoire
[modifier] Une formation par accrétion de la terre primitive
Comme les autres planètes, la Terre s'est formée par accrétion de gaz, de poussières, et d'objets variés (astéroïdes, planétoïdes, météorites) . Parmis les météorites qui tombent encore actuellement sur la surface terrestre, les spécialistes estiment que les météorites de type chondrite sont un échantillon représentatif des matériaux qui ont constitué la Terre primitive. A cours de l'accrétion, les impacts d'objets venant percuter le globe en formation ont dégagé une chaleur considérable. lorsque la planète a acquis sa taille actuelle, elle était formée de matériaux fondus: la Terre primitive était une sphère de magma !
[modifier] Une différenciation de la Terre magmatique
Dans cette masse fluide, les éléments chimiques se sont rassemblés et triés par gravité . Ce mécanisme de différenciation est à l'origine de la superposition actuelle de couches de moins en moins dense du centre vers la surface: un noyau où sont concentrés des éléments métalliques denses, un manteau surmonté d'une croûte dans laquelle se retrouvent des éléments moins denses, et enfin une hydrosphère et une atmosphère constituées de fluides issus du manteau.
Une preuve indrecte de cette différenciation nous est fournie par les météorites différenciées (achondrites et météorites de fer). Ces météorites proviennent de la destruction, par de gigantesques impacts, de planétoïdes qui avaient déjà subi une différenciation. Or, les météorites provenant de cette fragmentation sont essentiellement de deux types : les achondrites (formées de cristaux) et les météorites de fer.
L'existence de telles météorites confirme le modèle de Terre qui a été déduit de l'étude des séismes.
[modifier] Sources
The Key to the Physical Structure of the Earth par R. Martin.
An Introduction to Geology, Illustrative of the General Structure of the Earth par Robert Bakewell
Physical Geography Today par R. Bryson
Geology: Principles and Processes par William H. Emmons
Das Buch der Natur par Friedrich Schödler
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