Histoire de la Terre et de la vie - Actualités géologiques

Le système terrestre

Les ondes sismiques

La sismologie permet de déterminer la structure interne de la Terre. Grâce à elle, on sait qu’en plus d’être une boule, notre planète possède une croûte, un manteau et un noyau. Ce dernier se divise en noyau externe liquide et noyau interne solide ou graine. Le rayon moyen de la Terre est de 6 371 km. Le noyau liquide commence vers 2 900 km de profondeur et la graine vers 5 150 km de profondeur. Celle-ci a donc 1 221 km de rayon.

Quand un séisme se produit, il émet des ondes qui se propagent dans la Terre, dans toutes les directions. On distingue les ondes de compression P et les ondes de cisaillement S (respectivement du latin Primae et Secondae puisque les premières arrivent toujours avant les secondes). Avec les premières, les particules vibrent parallèlement à la direction de propagation de l’onde. Avec les secondes, elle vibrent perpendiculairement à la direction de propagation. Certaines ondes ne se propagent qu’en surface. On les appelle les ondes L et R d’après les noms de leurs découvreurs, Love et Rayleigh. Par opposition, les ondes P et S, qui se propagent à l’intérieur de la Terre, sont dites de volume. Les ondes L proviennent d’interférence entre des ondes S horizontales (c’est-à-dire dont les vibrations sont horizontales). Leur vitesse, constante, est de 4 km/s. Les ondes R résultent d’interférences entre des ondes P et S verticales. L’illustration montre en bas l’enregistrement effectué par un sismographe. Ce sont toujours les ondes de surface qui sont les plus intenses.

Un sismogramme typique, où les ondes P devancent de quelques secondes les ondes S. Ce laps de temps s’accroît proportionnellement à la distance parcourue.

Les ondes P et S peuvent atteindre tous les points du Globe, sauf une zone d’ombre indiquée sur le schéma (Shadow Zone). Quand elles changent de milieu, elles subissent une réfraction et une réflexion. Il arrive la même chose à un rayon de lumière arrivant sur une surface liquide : une partie est réfléchie et l’autre est réfractée. Dans le second cas, il entre dans l’eau avec un changement de vitesse et de direction. En sismologie, les choses se compliquent, car une onde incidente P se scinde en deux ondes réfléchies P et S et deux ondes réfractées P et S. Il arrive la même chose aux ondes S. Ces changements de milieu correspondent aux discontinuités entre croûte, manteau, noyau externe et noyau interne. De plus, les ondes S ne se propagent pas dans les milieux liquides.

La vitesse de propagation d’une onde dans le manteau augmente de manière continue avec la profondeur. C’est parce qu’elle est fonction de la densité des roches traversées et que celle-ci augmente avec la profondeur. Ainsi, les ondes P passent de 8,5 km/s sous la croûte à 14 km/s à la base du manteau. La vitesse des ondes S varie de 4,5 à 7 km/s. Cette variation continue de vitesse recourbe les ondes, comme le montre le schéma. Dans le noyau externe, où les ondes S ne se propagent pas puisqu’il est liquide, la vitesse des ondes P passe de 8 à 10 km/s. Remarquez que la vitesse a beaucoup diminué à l’interface manteau/noyau. Enfin, dans la graine, la vitesse des ondes P est constante à 11 km/s.

Le schéma utilise les codes des sismologues. Il montre un séisme créé à l’angle 0°. Des ondes partent du foyer et reviennent à la surface partout sauf aux angles compris entre 105° et 140° (on ne prend en compte qu’une moitié de la Terre, l’autre étant symétrique). Les ondes P sont représentées, mais pas les ondes S. Une onde P ayant traversé le noyau externe est notée PKP (de l’allemand Kern “noyau”). Si sa réfraction à la sortie du noyau l’a transformée en onde S, elle est notée PKS. Une onde S peut se propager jusqu’au noyau externe, être transformée en onde P par sa réfraction à l’entrée du noyau, ressortir du noyau puis revenir à la surface. Elle est alors notée SKP. L’onde PKIKP qui est représentée a traversé la Terre de part en part. Dans le noyau interne, elle s’est propagée sous forme d’onde de compression, ce qui est indiqué par la lettre I. Comme le noyau interne est solide, les ondes de cisaillement peuvent s’y propager. Elles sont indiquées par la lettre J. Elles proviennent nécessairement d’ondes de compression ayant traversé le noyau externe, transformées par réfraction en ondes de cisaillement à leur entrée dans le noyau interne.

Un article publié en octobre 2018 dans la revue Science mérite d’être cité (Shear properties of Earth’s inner core constrained by a detection of J waves in global correlation wavefield). Deux chercheurs, Hrvoje Tkalčić et Phạm Thanh-Son, ont élaboré une méthode de détection de ces ondes J, qui sont difficiles à observer en raison de leur faible amplitude. L’existence d’un noyau interne solide s’en trouve confirmée. Il n’est cependant pas d’une grande dureté. La vitesse des ondes de cisaillement est de 3,42 km/s en périphérie et de 3,58 km/s au centre. Les pressions dans ces deux zones sont respectivement de 149 et de 167 GPa. Ces valeurs sont de 2,5 % inférieures à celles du PREM, le modèle de référence de l’intérieur de la Terre.

Dans cet exposé, j’ai expliqué la propagation des ondes sismiques par la structure interne de la Terre. Historiquement, les sismologues ont déduit cette structure de l’observation des ondes arrivant à la surface de la Terre, grâce à des réseaux mondiaux de sismographes.

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