Lernzettel: Structure interne de la Terre et sismologie

📋 Plan du Cours

1. Ondes sismiques et riais sismiques
2. Discontinuités et lois de Snell-Descartes
3. Discontinuités Gutenberg et Lehman
4. Discontinuité de Mohorovicic et roches crustales
5. Composition et structures des croûtes océanique et continentale
6. Moho et méthode de détermination par ondes P
7. Séismes de subduction et limite lithosphère asthénosphère
8. Géotherme et gradient géothermique
9. Conduction et convection dans le transfert thermique
10. Tomographie sismique et hétérogénéité thermique du manteau
11. Convection mantellique et mouvements des plaques

📖 1. Ondes sismiques et riais sismiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Séisme : Un séisme est la libération brutale d’énergie lors de la rupture de roches soumises à des contraintes.
• Foyer : Le foyer est le point de rupture d’un séisme d’où partent les ondes sismiques dans toutes les directions.
• Épicentre : L’épicentre est la projection à la surface du foyer.
• Onde L : Une onde L est une onde de surface, très destructrice, qui ne se propage que localement.
• Ondes P et S : Les ondes P et S sont des ondes de volume qui traversent le globe, la première étant enregistrée en premier et la seconde ne se propageant pas dans les milieux liquides.

📝 Points essentiels

• Un séisme émet des ondes sismiques à partir du point de rupture, appelé foyer, vers toutes les directions.
• Le trajet d’une onde sismique est assimilé à un rai sismique.
• Les ondes de surface L sont les plus destructrices mais restent localisées.
• Les ondes de volume P sont des ondes de compression et sont les premières enregistrées.
• Les ondes de volume S sont des ondes de cisaillement et ne se propagent pas dans les milieux liquides.
• La propagation des ondes de volume en profondeur suit les lois de Snell-Descartes (réflexion et réfraction).

💡 Astuce mémo

Foyer→toutes directions; Épicentre = projection à la surface; P arrive d’abord (compression), S ne passe pas dans le liquide; L détruit mais reste local.

📖 2. Discontinuités et lois de Snell-Descartes

🔑 Notions clés & Définitions

• Discontinuité : Limite entre deux milieux internes du globe où les ondes sismiques changent brusquement de vitesse et de direction.
• Loi de Snell-Descartes : Loi reliant les angles d’incidence et de réfraction à la différence de vitesse des ondes entre deux milieux.
• Réflexion sismique : Phénomène où une partie de l’onde est renvoyée dans le milieu d’origine lors d’une discontinuité.
• Réfraction sismique : Phénomène où une partie de l’onde change de direction en traversant une discontinuité.
• Zone d’ombre sismique : Région du globe où certaines ondes ne sont plus détectées, révélant une discontinuité en profondeur.

📝 Points essentiels

• Les lois de Snell-Descartes décrivent réflexion et/ou réfraction quand une onde traverse une discontinuité entre deux milieux aux propriétés très différentes.
• La zone d’ombre sismique met en évidence une discontinuité entre le manteau et le noyau : la discontinuité de Gutenberg.
• Les ondes PKIKP, anormales, sont enregistrées dans la zone d’ombre et servent à révéler une graine solide au sein d’un noyau externe liquide.
• La discontinuité de Gutenberg se situe à environ 2900 km de profondeur et sépare le manteau du noyau externe liquide, avec disparition des ondes S.
• Une troisième discontinuité se trouve à environ 5100 km de profondeur : la discontinuité de Lehman, qui sépare noyau externe liquide et noyau interne solide.

💡 Astuce mémo

Snell-Descartes = angles + vitesses ; Zone d’ombre = discontinuité : Gutenberg ~2900 km, Lehman ~5100 km.

📖 3. Discontinuités Gutenberg et Lehman

🔑 Notions clés & Définitions

• Discontinuité de Mohorovicic : Discontinuité séparant la croûte et le manteau, identifiée par un changement net des vitesses des ondes sismiques.
• Croûte océanique : Croûte terrestre majoritairement composée de roches magmatiques issues du refroidissement de magma.
• Croûte continentale : Croûte terrestre présentant une diversité de roches en surface, puis une composition proche du granite en profondeur.
• Structure grenue : Structure d’une roche entièrement cristallisée, où les minéraux sont visibles à l’œil nu.
• Structure microlitique : Structure d’une roche contenant des minéraux non visibles à l’œil nu et du verre issu d’un refroidissement non totalement cristallisé.

📝 Points essentiels

• La croûte océanique est constituée de roches magmatiques comme les basaltes et les gabbros, issues du refroidissement d’un magma.
• La composition minéralogique des roches océaniques est dite identique, avec pyroxène, olivine et plagioclase.
• Une roche grenue correspond à une cristallisation complète, donnant une texture où les minéraux sont visibles à l’œil nu.
• Une roche microlitique correspond à une cristallisation incomplète, avec des minéraux invisibles à l’œil nu et la présence de verre.
• En surface, la croûte continentale est hétérogène (magmatique, sédimentaire, métamorphique), mais en profondeur sa composition se rapproche de celle du granite.
• Le granite est une roche grenue caractérisée par quartz, feldspaths et micas dont la biotite.

💡 Astuce mémo

Grenue = tout cristallisé (minéraux visibles) ; Microlitique = cristaux fins + verre (refroidissement incomplet).

📖 4. Discontinuité de Mohorovicic et roches crustales

🔑 Notions clés & Définitions

• Discontinuité de Mohorovicic : Discontinuité sismique séparant la croûte du manteau, mise en évidence par le décalage d’arrivées d’ondes P successives.
• Ondes P : Ondes de compression qui se propagent dans les solides et dont l’arrivée peut être décalée par une réflexion sur une discontinuité.
• Ondes réfléchies PmP : Ondes P qui correspondent à une réflexion sur la surface de discontinuité à l’origine du second train d’ondes observé.
• Distribution bimodale des altitudes : Répartition des altitudes présentant deux pics de fréquence, associés à des domaines géologiques distincts (océanique et continental).
• Tectoglob3D : Logiciel en ligne utilisé pour tracer des histogrammes et comparer la répartition des altitudes entre domaines océanique et continental.

📝 Points essentiels

• La distribution des altitudes est dite bimodale car elle montre deux modes (pics) correspondant à deux domaines géologiques distincts.
• Les modes de profondeur/altitude sont d’environ 4–5 km de profondeur pour les océans et 0–1 km d’altitude pour les continents.
• L’altitude moyenne en domaine continental (croûte continentale) est de l’ordre de 840 m.
• La profondeur moyenne en domaine océanique (croûte océanique) est de l’ordre de 3800 m.
• Le Moho est mis en évidence comme une discontinuité entre croûte et manteau à partir d’observations sismologiques.
• En 1909, Mohorovicic observe lors d’un séisme près de Zagreb deux arrivées d’ondes P successives décalées de Δt, interprétées comme une réflexion sur une surface de discontinuité.

💡 Astuce mémo

Δt = “deux trains” : premier P puis PmP après réflexion sur le Moho (croûte ↔ manteau).

📖 5. Composition et structures des croûtes océanique et continentale

🔑 Notions clés & Définitions

• Discontinuité de Mohorovicic : Discontinuité sismique qui sépare la croûte du manteau et se repère par un changement de vitesse des ondes sismiques.
• Ondes P : Ondes sismiques de compression qui se propagent dans les solides et les liquides, et dont l’arrivée permet de repérer des interfaces.
• Ondes P réfléchies PmP : Train d’ondes P issu de la réflexion sur une surface de discontinuité, qui arrive après les ondes P directes.
• Péridotite : Roche mantellique dense (≈3,3) dont on peut observer des échantillons et qui peut être trouvée en enclaves dans des roches volcaniques.

📝 Points essentiels

• Mohorovicic interprète un décalage temporel Δt entre deux arrivées d’ondes P successives comme une réflexion sur une interface.
• La seconde arrivée correspond à des ondes P réfléchies notées PmP, produites à l’origine de la discontinuité.
• La profondeur de la discontinuité de Mohorovicic (Moho) se calcule à partir de la profondeur du foyer et du temps de trajet Δt.
• Le Moho sépare la croûte du manteau, ce qui explique le changement de comportement des ondes sismiques de part et d’autre.
• Les vitesses moyennes des ondes P et S diffèrent entre croûte continentale et croûte océanique, ce qui permet de comparer les milieux.
• La péridotite a une densité d’environ 3,3 et peut être observée en enclaves dans des roches volcaniques comme les basaltes.

💡 Astuce mémo

Δt → réflexion PmP → Moho : croûte ↔ manteau.

📖 6. Moho et méthode de détermination par ondes P

🔑 Notions clés & Définitions

• Moho : Discontinuité sismique séparant la croûte et le manteau, repérée par des changements de vitesse des ondes sismiques.
• Ondes P : Ondes sismiques longitudinales qui se propagent dans les solides et les liquides, avec une vitesse dépendant du milieu traversé.
• Temps de trajet : Durée mesurée entre l’émission d’un séisme et l’arrivée d’une onde à une station, utilisée pour comparer des distances et des profondeurs.
• Foyers sismiques : Points en profondeur où se produit la rupture responsable du séisme, dont la localisation aide à tracer la géométrie de la zone de subduction.

📝 Points essentiels

• Les ondes P arrivent plus tôt à une station plus proche du trajet parcouru, ce qui permet d’inférer des différences de profondeur et de structure traversée.
• Dans l’étude Tonga (1964), les ondes P arrivent 2 s plus tôt à Tonga qu’à Fidji pour un même séisme profond, car les trajets ne sont pas identiques.
• La comparaison des temps d’arrivée entre stations à distance différente sert à contraindre la géométrie et la profondeur des structures traversées par les ondes.
• Dans une zone de subduction, la présence de séismes matérialise l’épaisseur de la plaque plongeante, que l’on peut estimer sur une coupe.
• La répartition des séismes n’est pas aléatoire : elle suit la localisation de la plaque plongeante et ses variations de conditions mécaniques en profondeur.
• Les isothermes en subduction représentent des températures constantes estimées par modélisation, ce qui relie la structure thermique à la profondeur des séismes.

💡 Astuce mémo

P comme « Premier » : plus l’onde P arrive tôt, plus le trajet/structure traversée est favorable à une arrivée rapide (proximité ou milieu plus rapide).

📖 7. Séismes de subduction et limite lithosphère asthénosphère

🔑 Notions clés & Définitions

• Isothermes de subduction : Les isothermes de subduction sont des courbes de température constante tracées sous la plaque plongeante à partir de modèles thermiques de la roche.
• Vitesse des ondes sismiques : La vitesse des ondes sismiques dépend des propriétés du milieu, notamment de sa température, ce qui permet d’inférer l’état thermique des roches.
• Asthénosphère : L’asthénosphère est une partie du manteau, composée de péridotite, dont la partie supérieure correspond à la LVZ.
• Lithosphère : La lithosphère regroupe la croûte et une partie du manteau lithosphérique, avec un comportement mécanique plutôt rigide et cassant.
• LVZ Low Velocity Zone : La LVZ est la zone de faible vitesse des ondes située au sommet de l’asthénosphère, associée à un comportement plus ductile des matériaux.

📝 Points essentiels

• Dans une zone de subduction, les ondes se propagent plus vite le long de la plaque plongeante en croûte océanique que dans le manteau, contrairement à l’attendu général.
• La plaque plongeante est plus froide que les matériaux autour, ce qui explique la différence de vitesse des ondes.
• La corrélation température→vitesse montre que les ondes augmentent quand le milieu est plus froid et diminuent quand il est plus chaud.
• Un milieu froid devient solide rigide, ce qui est cohérent avec l’augmentation de vitesse des ondes dans la plaque froide.
• La limite lithosphère–asthénosphère est localisée sur l’isotherme 1300°C et constitue une limite sans discontinuité pétrologique.
• La lithosphère est rigide et cassante, tandis que la LVZ marque le début d’un comportement ductile et déformable, permettant le découplage mécanique des mouvements.

💡 Astuce mémo

Froid = Rigide = Rapide : dans la subduction, la plaque froide fait accélérer les ondes (et la LVZ correspond au passage vers le ductile).

📖 8. Géotherme et gradient géothermique

🔑 Notions clés & Définitions

• Géotherme terrestre : Le géotherme est la courbe qui décrit l’évolution de la température en fonction de la profondeur dans la Terre.
• Gradient géothermique : Le gradient géothermique est l’augmentation de la température des roches par unité de profondeur, généralement exprimée en °C/km.
• LVZ Low Velocity Zone : La LVZ est une zone de faible vitesse sismique qui marque le début de l’asthénosphère et s’accompagne d’un changement de comportement mécanique des matériaux.
• Lithosphère : La lithosphère est la couche externe où les matériaux se comportent de façon rigide et cassante.
• Asthénosphère : L’asthénosphère correspond à la zone où les matériaux deviennent plus ductiles et déformables, notamment à partir de la LVZ.

📝 Points essentiels

• Le géotherme révèle une hétérogénéité horizontale de la chaleur, donc des variations latérales du profil thermique.
• Le gradient géothermique se déduit d’une droite de régression ajustée aux points température–profondeur.
• Le coefficient directeur de la droite de régression correspond au gradient géothermique, soit une hausse de température par profondeur.
• Le calcul de température interne à partir du gradient géothermique peut être jugé peu fiable si le profil réel n’est pas linéaire ou homogène.
• La lithosphère est rigide et cassante, tandis que la LVZ correspond à un passage vers des matériaux ductiles et déformables.
• Le découplage mécanique lithosphère–asthénosphère rend possible le mouvement de la lithosphère sur l’asthénosphère.

💡 Astuce mémo

Lithosphère = Rigide/Cassante ; LVZ = Ductile/Déformable ; Asthénosphère = Glisse possible (découplage).

📖 9. Conduction et convection dans le transfert thermique

🔑 Notions clés & Définitions

• Conduction thermique : La conduction est un transfert de chaleur entre régions de températures différentes, sans déplacement global de matière.
• Convection thermique : La convection est un transfert de chaleur accompagné d’un mouvement de matière, typique des fluides.
• Conductivité thermique : La conductivité thermique mesure la capacité d’un matériau à transmettre la chaleur par conduction.
• Convection en fluide : La convection en fluide repose sur l’ascension de matière chauffée moins dense et la descente de matière refroidie plus dense.
• Gradient géothermique : Le gradient géothermique décrit la variation de température à l’intérieur de la Terre avec la profondeur.

📝 Points essentiels

• La conduction se produit quand il existe une différence de température entre deux régions d’un même milieu ou entre deux milieux en contact.
• La conduction transmet l’énergie thermique de proche en proche via la modification de l’agitation des atomes.
• Dans une barre de métal chauffée à une extrémité, la température augmente progressivement le long de la barre.
• L’efficacité du transfert par conduction dépend de la conductivité du matériau.
• La convection nécessite un comportement de fluide pour que la matière puisse se mettre en mouvement.
• En convection, la matière chauffée à la base devient moins dense et monte, tandis que la matière plus froide et plus dense près des zones de refroidissement descend vers le fond.

💡 Astuce mémo

Conduction = chaleur sans courant de matière ; Convection = chaleur avec courant de matière (monte chaud, descend froid).

📖 10. Tomographie sismique et hétérogénéité thermique du manteau

🔑 Notions clés & Définitions

• Convection du manteau : Le manteau transfère surtout sa chaleur par convection, avec des mouvements de matière liés aux différences de densité et de température.
• Cellules de convection : Les cellules de convection sont de grandes boucles de circulation qui assurent un transfert efficace d’énergie thermique à l’échelle des temps géologiques.
• Tomographie sismique : La tomographie sismique est une méthode qui utilise les ondes sismiques pour visualiser des régions internes du globe aux températures anormalement élevées ou faibles.
• Modèle PREM : Le modèle PREM est une référence de structure interne de la Terre utilisée pour comparer les vitesses des ondes sismiques observées.
• Anomalies de vitesse sismique : Les anomalies de vitesse sont des écarts entre les vitesses d’ondes mesurées et celles attendues par le modèle, liés à l’état thermique et mécanique des roches.

📝 Points essentiels

• Dans le manteau, la convection domine le transfert de chaleur, tandis que dans la lithosphère la conduction domine.
• Dans le manteau, des roches fortement échauffées à la base deviennent moins denses et tendent à remonter.
• En remontant, les roches refroidissent, leur densité augmente et elles redescendent vers l’intérieur.
• Les cellules de convection mettent en place des boucles à grande échelle de temps qui transportent efficacement l’énergie thermique.
• La tomographie sismique repère des régions internes plus chaudes ou plus froides que prévu par les modèles.
• Les roches plus chaudes sont plus ductiles et ralentissent la propagation des ondes sismiques par rapport au modèle attendu, tandis que les roches plus froides sont plus rigides et accélèrent les ondes.

💡 Astuce mémo

Convection = « chaud monte, froid redescend » ; Tomographie = « écart de vitesse → anomalie thermique ».

📖 11. Convection mantellique et mouvements des plaques

🔑 Notions clés & Définitions

• Tomographie sismique : Technique d’imagerie qui repère des anomalies de vitesse des ondes sismiques par rapport à un modèle de référence de la Terre.
• Modèle PREM : Modèle de structure interne de la Terre utilisé comme référence pour comparer les vitesses observées des ondes sismiques.
• Anomalies de vitesse : Écarts mesurés entre les vitesses des ondes sismiques observées et celles prévues par le modèle de référence.
• Géotherme : Courbe décrivant l’évolution de la température en fonction de la profondeur dans la Terre.
• Conduction et convection : Deux modes de transfert thermique : la conduction se fait par contact, tandis que la convection implique des mouvements de matière.

📝 Points essentiels

• Les ondes se propagent plus vite dans un milieu rigide et froid et plus lentement dans un milieu ductile et chaud.
• Les anomalies de vitesse sont interprétées comme des anomalies de température dans le manteau.
• La température augmente avec la profondeur, ce qui se lit sur le géotherme.
• Le géotherme montre un gradient géothermique fort dans la lithosphère et faible dans le manteau.
• La lithosphère dissipe surtout la chaleur par conduction, alors que le manteau la dissipe par convection.
• La tomographie sismique met en évidence des mouvements de grande ampleur liés à la convection : subduction, points chauds et dorsales océaniques.

💡 Astuce mémo

Vitesse ↑ = froid/rigide ; vitesse ↓ = chaud/ductile ; géotherme = pente : lithosphère raide (conduction) vs manteau douce (convection).

📅 Repères chronologiques

Date	Événement
1909	Mohorovicic observe deux trains d’ondes P successifs décalés (Δt) lors d’un séisme près de Zagreb et interprète une réflexion sur une discontinuité (Moho).
1964	Oliver, Isacks et Sykes étudient la fosse des Tonga : les ondes P arrivent 2 s plus tôt à Tonga qu’à Fidji pour un même séisme profond.
2900 km	Profondeur de la discontinuité de Gutenberg séparant le manteau du noyau externe liquide (disparition des ondes S).
5100 km	Profondeur de la discontinuité de Lehman séparant le noyau externe liquide et le noyau interne solide.

📊 Tableaux de synthèse

Ondes sismiques : propriétés et propagation

Type d’onde	Nature	Propagation
L	Onde de surface	Très destructrice, ne se propage que localement
P	Onde de volume	Compression, premières enregistrées
S	Onde de volume	Cisaillement, ne se propage pas dans les milieux liquides

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre foyer et épicentre : le foyer est le point de rupture en profondeur, l’épicentre est sa projection à la surface.
2. Croire que les ondes L se propagent à grande distance : elles sont très destructrices mais restent localisées.
3. Penser que les ondes S se propagent dans les liquides : elles ne se propagent pas dans les milieux liquides.
4. Inverser l’interprétation Snell-Descartes : ce sont les lois reliant angles et vitesses entre deux milieux qui permettent de déduire la nature des matériaux traversés.
5. Oublier que la zone d’ombre met en évidence une discontinuité profonde (Gutenberg) : ce n’est pas une simple absence de données.
6. Confondre discontinuité et limite lithosphère–asthénosphère : la limite à l’isotherme 1300°C est une limite sans discontinuité pétrologique.
7. Interpréter à l’envers la vitesse des ondes en fonction de la température : les ondes sont plus rapides dans un milieu froid/rigide et plus lentes dans un milieu chaud/ductile.

✅ Checklist Examen

1. Définir un séisme, le foyer et l’épicentre, puis expliquer pourquoi on assimile le trajet d’une onde à un rai sismique.
2. Classer les ondes émises par un séisme : distinguer ondes L (surface, destructrices, localisées) et ondes de volume P et S (compression/cisaillement, premières enregistrées, S non propagées dans les liquides).
3. Expliquer ce que décrit une discontinuité et relier réflexion/réfraction à la traversée de deux milieux aux propriétés très différentes.
4. Relier la propagation en profondeur aux lois de Snell-Descartes et préciser ce que permettent d’inférer les temps d’arrivée dans différentes stations.
5. Décrire le rôle de la zone d’ombre sismique et citer l’interprétation associée à la discontinuité de Gutenberg (manteau/noyau externe liquide, disparition des ondes S).
6. Expliquer l’apport des ondes PKIKP (anormales) dans la zone d’ombre pour mettre en évidence une graine solide au sein d’un noyau externe liquide.
7. Donner les profondeurs et le rôle des discontinuités de Gutenberg (2900 km) et de Lehman (5100 km) dans la structure interne du globe.
8. Comparer croûte océanique et croûte continentale à partir des roches : magmatiques (basaltes/gabbros), composition minéralogique identique, et structures grenue vs microlitique.
9. Définir grenue et microlitique à partir du degré de cristallisation (minéraux visibles à l’œil nu vs présence de verre et minéraux invisibles).
10. Expliquer la distribution bimodale des altitudes (modes 4–5 km de profondeur pour les océans et 0–1 km d’altitude pour les continents) et relier ces modes aux domaines géologiques.
11. Expliquer comment Mohorovicic met en évidence le Moho : deux trains d’ondes P successifs décalés de Δt, interprétés comme des ondes réfléchies PmP.
12. Relier Δt et la profondeur du Moho (Moho = séparation croûte/manteau) et rappeler que le Moho est repéré par un changement de vitesse des ondes sismiques.
13. Expliquer comment la comparaison des temps d’arrivée des ondes P entre stations permet de contraindre la géométrie et la profondeur des structures traversées (exemple Tonga/Fidji : +2 s à Tonga).
14. Décrire ce que montrent les séismes de subduction sur l’épaisseur de la plaque plongeante et sur la non-aléa de la répartition des foyers (localisation de la plaque et variations mécaniques).