Julie Perrot - U.B.O. III- Modèles de Terre sismologiques

Julie Perrot - U.B.O. III- Modèles de Terre sismologiques p. 1

Les Ondes dans la Terre Traversant : le manteau, P or S le noyau externe, K le noyau interne, I Se réfléchissant sur: le noyau,c le noyau interne, i la surface libre, P or S la surface libre prés du séisme, p or s Identification des phases du sismogramme à partir de la connaissance a priori d un modèle de Terre p. 2

Modèle de Vitesse 1D à symétrie sphérique de la Terre PREM model Jeffreys model Density Traversant : Modèle de Jeffreys-bullen 1939, déterminé par inversion des temps de parcours et distances angulaires PREM (PReliminary Earth Model) 1981, obtenu par inversion des oscillations libres de la Terre. Modèle de vitesse à symétrie sphérique PREM révisé et réajusté au niveau des zones à faible vitesse ainsi qu au niveau de la transition noyau externe/interne p. 3

Tables de Jeffreys-Bullen hodochrones temps distance épicentrale Temps de parcours des phases du manteau et du noyau Pour une distance épicentrale donnée, identification des phases avec leur temps de parcours associés Hodochrones courbes montrant le gradient de vitesse dans le manteau Hodochrones droites des ondes de surface à vitesse à peu près constante p. 4

Hodochrone de l onde P Première phase en temps de 0 à 90 Non visible entre 90 et 140 définissant la zone d ombre shadow zone p. 5

Hodochrone de l onde S Temps de parcours des ondes S plus long arrivent après les ondes P Comme les ondes P, non-visible après 90 jusqu à 180 zone d ombre plus large pour les ondes P waves p. 6

Réseaux Sismologiques Données accessible à partir de centre sismologique comme le NEIC (National Earthquake international center) et GEOSCOPE Le développement des réseaux qui distribuent les sismogrammes permettent d améliorer notre connaissance sur les mécanismes de rupture des séismes ainsi que sur la structure interne de la Terre p. 7

Modèles sismologique et Thermo-mécanique Profil de vitesse des ondes en fonction de la profondeur : PREM Profil de résistance des enveloppes de la Terre qui dépendent de la Température et de la Pression p. 8

Structure de la croûte LITHOSPHÈRE 0 km Conrad 15 km Moho 30 km CROÛTE 6.1 km/s 6.7 km/s 6.7 km/s 8.0 km/s MANTEAU Conrad - discontinuité de type chimique - à 15km de profondeur, non visible partout - sépare croûte inférieure granitique de la croûte supérieure granulitique (roche métamorphique) Moho - discontinuité de type chimique - profondeur suivant le contexte géodynamique: 30 km en moyenne, 10km en contexte océanique, 70 km sous l Hymalya - sépare croûte (SiO 2, Al 2 O 3 ) du manteau ((Mg,Fe) 2 SiO 4 : Péridot ou Olivine) p. 9

Structure de la croûte océanique 0 km 2 km 8 km Basalte 5.7 km/s Gabbro 6.7 km/s Moho 8.1 km/s MANTEAU Structure plus uniforme de la croûte océanique - Structure et épaisseur relativement homogène à travers tous les océans Moho océanique situé entre 6 et 8km Faible épaisseur de sédiments sur les basaltes qui s épaississent en s éloignant de la dorsale surface: 300. 10 6 km 2 et âge maximum: 160 M a. - par comparaison croûte continentale surface: 130. 10 6 km 2 et âge maximum: 4 Milliard d années p. 10

Structure du manteau supérieur I LVZ (Low Velocity Zone) 0 km 30 km LITHOSPHÈRE 100 km ASTHÉNOSPHÈRE 250 km CROÛTE MANTEAU 8.2 km/s 7.8 km/s LVZ Discontinuité de type physique - entre 100 et 250 km, varie selon contexte géodynamique A ces profondeurs, T 1300 C proche de la T de fusion de l Olivine: le manteau perd de sa cohésion, se ramollit - Déformation ductile - Couche limite thermique importante, explique le déplacement de plaques rigides de la lithosphère sur + de 10000 km sans subir de déformation interne importante. p. 11

Zones de subduction Plan Wadati-Benioff : alignement des séismes selon un plan incliné Activité importante jusqu à 200 km p. 12

Structure du manteau supérieur II Discontinuités du manteau supérieur 0 km LITHOSPHÈRE30 km 100 km 410 km ASTHÉNOSPHÈRE MÉSOSPHÈRE 660 km CROÛTE MANTEAU SUPÉRIEUR 8.9 km/s 9.1 km/s 10.3 km/s 10.8 km/s MANTEAU INFÉRIEUR Discontinuités de type physique marquant un ré-arrangement minéralogique - sous l effet de la pression et T, l olivine constituant de base du manteau change de forme minéralogique Discontinuité à 410 km Passage de l olivine α à l olivine β et γ -20 aine km d épaisseur, variation de la profondeur p. 13

Structure du manteau supérieur III Discontinuités à 660 km 0 km LITHOSPHÈRE30 km 100 km 410 km ASTHÉNOSPHÈRE MÉSOSPHÈRE 660 km CROÛTE MANTEAU SUPÉRIEUR 8.9 km/s 9.1 km/s 10.3 km/s 10.8 km/s MANTEAU INFÉRIEUR Discontinuité à 660 km Passage de l olivine γ à la perovskite + magnésiowustite - qq km d épaisseur, variation de la profondeur - Discontinuité délimitant le manteau supérieur du manteau inférieur - Viscosité 30 fois plus élevée dans le manteau inférieur? - Sa profondeur correspond à la limite de détection en profondeur des séismes frontière non franchissable pour les zones de subduction? Discontinuité majeure? p. 14

D : Interface manteau/noyau Discontinuité chimique et physique majeure similaire à l interface atmosphère/croûte entre le manteau solide et le noyau fluide - Noyau plus dense et plus chaud Fort gradient thermique - Irrégulière, épaisseur variable jusqu à 200 km plusieurs hypothèses: 1. Interaction du entre partie externe liquide du noyau avec manteau silicate haute pression injectés par une phase ferro-nickel (par comparaison de certaines météorites) 2. Cimetière des restes de plaque lithosphérique après leur traversée dans le manteau p. 15

Structure du noyau I 0 km 30 km 5150 km 6370 km CROÛTE MANTEAU 2900 km D 13.7 km/s 8.1 km/s NOYAU EXTERNE 10.4 km/s 11.0 km/s NOYAU INTERNE Noyau externe Aucune propagation en onde S et chute de la vitesse des onde P - Fer liquide +qq éléments légers (Ni,Si,O,C,S) - Origine du champs magnétique Terrestre: mouvements de convection de Fer liquide engendre, dans un champ magnétique, un courant électrique qui lui même engendre un champs magnétique renforçant le 1er. Noyau interne - difficile d accéder à la structure de la graine: - la couche D diffracte les ondes - beaucoup d atténuation dans les 1ers kilomètres - mauvaise distribution géographique des stations p. 16 - très faible énergie des ondes dans la graine

Structure du noyau II 0 km 30 km 2900 km 5150 km 6370 km CROÛTE MANTEAU 13.7 km/s 8.1 km/s NOYAU EXTERNE 10.4 km/s 11.0 km/s NOYAU INTERNE solidité de la graine - observation des oscillations propres de la Terre lors de gros séisme Anisotropie de la graine: ondes P se propagent plus vite dans la direction N/S que dans le plan équatorial (5 secondes de différence par rapport à modèle PREM) - pas d anisotropie entre 100 et 200km fusion partielle, pas d atténuation - moins de 1 % dans hémisphère Est et 3 % dans hémisphère Ouest - orientation des cristaux de Fer: origine de l anisotropie p. 17

Modèle de vitesse PREM Manteau Noyau externe Manteau Noyau externe Vitesse (km/s) 14 10 6 P S P S 10 5 Densité (g/cm3) Pression (Kbars) 4000 3000 2000 1000 1000 3000 5000 Profondeur (km) Température ( c) 2 1000 3000 5000 p. 18

Étude détaillée des différentes enveloppes de la Terre Modèle 1D à symétrie sphérique n est plus valable III - Tomographie sismique p. 19

Tomographie sismique I Principe Cartographie des anomalies de vitesse en 3D de la surface au centre de la Terre Mesure des écarts de vitesse de propagation par rapport à une structure moyenne du Globe (modèle à symétrie sphérique: PREM...) Résidu: t = t théorique t observé T 1 = T 1théo. T 1obs. = 0 T 2 = T 2théo. T 2obs. 0 si T 2 < 0 T 2théo. < T 2obs. : temps de parcours dans le milieu réel plus lent que celui prédit par le modèle de Terre p. 20

Tomographie sismique II Applications 2D et 3D temps de parcours/ligne (s) 20 20 22 20 20 22 20 20 temps de parcours/colonne (s) Distribution spatiale des résidus 2D et 3D Données utilisés: - Ondes de volume Manteau inférieur et noyau - Ondes de surface Manteau supérieur Interprétation des résidus: - Variation de la T des matériaux - Variation de la composition chimique Inconvénient: il faut un jeu de données dense mauvaise distribution des stations et des séismes pas de station sismologique dans les océans: développement OFM p. 21

Images tomographiques Zones de subduction p. 22

Images tomographiques Zones de subduction p. 23

Images tomographiques de la Terre À la Profondeur de 100 km p. 24

Images tomographiques de la Terre À la Profondeur de 350 km p. 25

Images tomographiques de la Terre À la Profondeur de 2850 km p. 26

Image tomographique de la Terre 3D Image des courants chaud et froid de la convection mantellique p. 27

Conclusions Modèle de Terre sismologique lié à la composition des roches, la Température et la pression Modèle Tomographique: apport essentiel pour l approche de la convection dans le manteau Dynamique Interne de la Terre et ses manifestations à la surface de la Terre p. 28