Introduction à la structure interne de la Terre
La Terre est un corps planétaire composé de plusieurs couches concentriques qui diffèrent par leur composition chimique, leur état physique (solide ou liquide) et leurs propriétés mécaniques. Comprendre cette structure est essentiel pour interpréter les ondes sismiques générées lors des séismes et pour modéliser le transfert de chaleur à l'intérieur du globe.
Le modèle de référence le plus utilisé en géophysique est le modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model). Il fournit des profils de vitesse des ondes P et S, de densité et de paramètres thermiques en fonction de la profondeur.
Les ondes sismiques : P, S et L
Caractéristiques des ondes P et S
Les ondes sismiques se divisent principalement en deux catégories selon leur mode de vibration :
- Ondes P (primaires) : ondes longitudinales (compressives) qui se propagent dans les solides et les liquides. Elles sont les plus rapides et arrivent en premier au détecteur.
- Ondes S (secondaires) : ondes transversales (cisaillantes) qui ne peuvent se propager que dans les solides. Elles voyagent plus lentement que les ondes P.
Cette différence fondamentale explique pourquoi les ondes S disparaissent dans le noyau externe, qui est liquide.
Ondes de surface (L) et leurs effets destructeurs
Les ondes de surface, souvent désignées par la lettre L (pour Love et Rayleigh), se propagent le long de la surface terrestre. Elles sont caractérisées par :
- Une amplitude généralement plus élevée que celle des ondes P et S à proximité de la surface.
- Une vitesse de propagation plus lente, ce qui les fait arriver après les ondes body, mais avec une énergie concentrée qui cause la plupart des dégâts matériels.
- Un mouvement horizontal (Love) ou elliptique (Rayleigh) qui sollicite fortement les structures bâties.
Ces propriétés font des ondes L les principales responsables des destructions observées lors d'un séisme.
Le modèle PREM et la stratification de la Terre
Couche située sous la discontinuité de Moho
La discontinuité de Moho marque la transition entre la croûte terrestre et le manteau supérieur. Immédiatement sous cette discontinuité se trouve le manteau supérieur, composé principalement de péridotite. Cette couche s'étend jusqu'à la zone de transition (410 km) où les minéraux subissent des changements de phase.
Détermination de la limite inférieure de la lithosphère
Dans le modèle PREM, la lithosphère ne se définit pas uniquement par une profondeur fixe, mais par une isotherme à 1300 °C. Au-dessous de cette température, le manteau devient suffisamment ductile pour permettre la convection mantellique, marquant la transition vers l'asthénosphère.
Transfert de chaleur dans la lithosphère
Le principal mode de transfert de chaleur à travers la lithosphère est la conduction. En raison de la rigidité de la lithosphère, les mouvements de matière sont limités, ce qui empêche la convection à cette échelle. La chaleur provient du noyau et du manteau profond, se diffusant lentement vers la surface.
Comportement des ondes S dans le noyau externe
Le noyau externe de la Terre est une couche liquide composée principalement de fer et de nickel en fusion. Les ondes S, qui nécessitent un support solide pour se propager, sont donc absorbées ou refusées par ce milieu. Cette propriété crée une zone d'ombre sismique où les ondes S ne sont plus détectables.
Anomalies sismiques et interprétation géophysique
Anomalie positive : indication d'une zone froide ou rigide
Une anomalie positive correspond à une augmentation de la vitesse des ondes sismiques par rapport au modèle PREM. Cette accélération indique généralement une zone plus froide ou plus rigide, car la vitesse des ondes augmente avec la rigidité et diminue avec la température.
La « zone d’ombre » entre 104° et 142°
Cette zone d'ombre, observée sur les cartes de distribution des ondes P, résulte de la déviation des ondes P à la limite manteau/noyau (discontinuité CMB). Les ondes P sont réfractées de telle façon qu'elles ne peuvent atteindre les stations sismiques situées dans cet intervalle d'angles, créant ainsi une zone où les enregistrements sont très faibles ou inexistants.
Résumé des concepts clés
- Ondes S : ne se propagent que dans les solides, disparaissent dans le noyau externe liquide.
- Ondes P : longitudinales, traversent solides et liquides, plus rapides.
- Ondes L : ondes de surface, responsables de la majorité des dégâts sismiques.
- Modèle PREM : fournit les profils de vitesse, densité et température, utilisé pour identifier les discontinuités majeures (Moho, LVZ, CMB).
- Lithosphère : définie par une isotherme à 1300 °C, au-dessus de l'asthénosphère ductile.
- Transfert de chaleur : conduction dominante dans la lithosphère, convection dans le manteau.
- Anomalies sismiques : positives = zones froides/rigides, négatives = zones chaudes/moins rigides.
- Zone d'ombre sismique : due à la réfraction des ondes P à la limite manteau/noyau.
Maîtriser ces notions permet d'interpréter les données sismiques, de modéliser la dynamique interne de la Terre et d'évaluer les risques sismiques associés aux différentes régions du globe.
