2. L’APPORT DES ETUDES SISMOLOGIQUES ET THERMIQUES A LA CONNAISSANCE DU GLOBE TERRESTRE.

A. SEISMES ET ONDES SISMIQUES.

Lorsque les roches superficielles sont soumises à des contraintes, elles emmagasinent de l’énergie qui peut être libérée brutalement lors de séismes.

L’énergie libérée au niveau du foyer du séisme (hypocentre) par la rupture des roches le long de failles se propage dans toutes les directions de l’espace sous forme d’ondes sismiques vers la surface mais aussi en profondeur à travers le globe.

Les ondes sismiques sont enregistrables à de grandes distances épicentrales par un réseau de sismogrammes permettant d’obtenir des sismographes.

Ils révèlent différents types d’ondes produites 

- Les ondes P ou premières sont des ondes de compression-dilatation (modèle du ressort) qui se propagent en volume (qui traversent la Terre).

Ce sont les ondes les plus rapides, qui se propagent dans tous les milieux. Leur vitesse croit avec la densité du milieu traversé.

- Les ondes S ou secondes sont des ondes de cisaillement (modèle de la corde) qui se propagent aussi en volume, mais uniquement dans les solides (pas dans les liquides). 

Leur vitesse croit aussi avec la densité du milieu traversé mais elles sont plus lentes que les ondes P (elles arrivent en retard au point de réception). 

- Les ondes de surface ne se propagent qu'en surface (modèle de la houle.

Bien que les plus lentes, elles ont une grande amplitude et donc un grand effet destructeur

B. UN MODELE SISMIQUE DE LA TERRE INTERNE.

Les ondes P et S ont des propriétés physiques utilisables par les géologues pour connaitre la structure et la composition interne de la Terre. Le déplacement des ondes dépend de plusieurs facteurs, notamment dépend des propriétés des milieux traversés.

La variation de leur vitesse révèle une modification de la densité des roches et/ou un changement d’état (plus visqueux voire liquide).

En effet les ondes sismiques sont réfléchies ou réfractées lorsqu’elles passent d’un milieu à un autre.

La surface de contact entre ces deux milieux est appelée discontinuité

Propagation des ondes sismiques dans des milieux à densité croissante vers la profondeur.

Ainsi, la progression de l'onde réfractée dans des milieux de densité croissante se fait sous la forme d'une courbe.

Il arrive un moment où, lorsque la trajectoire de l'onde est devenue presque parallèle à la ligne de changement de milieu (c'est-à-dire, lorsque la trajectoire de l'onde, à la suite des diverses réfractions, est devenue presque horizontale), il y a réflexion totale : l'onde est intégralement réfléchie et repart vers la surface de la Terre.

L’étude des temps d’arrivée des ondes aux différentes stations (hodochrones) et le calcul de leur vitesse en fonction de la profondeur qu’elles atteignent révèle des discontinuités majeures.

- La plus superficielle, le Moho, sépare la croûte terrestre du manteau. 

Sa profondeur passe de moins de 0km dans certaines zones de la croûte océanique (en moyenne 7km de profondeur) à près de 90 km sous les hauts reliefs continentaux (en moyenne 30 km de profondeur sous les continents).

Pour tout séisme majeur, il existe des zones du globe où les stations n’enregistrent aucune onde directe. Ces « zones d’ombre » révèlent elles aussi des discontinuités majeures au sein du globe 

La LVZ (Low Velocity Zone), où les ondes ralentissent en liaison avec un changement de comportement mécanique des roches (état plus visqueux de la péridotite) sépare la lithosphère cassante de l’asthénosphère ductile. 

Le somment de cette LVZ correspond à peu près à l'isotherme 1300°C.

On observe ainsi des différences d’épaisseur entre la lithosphère océanique (80 km) et la lithosphère continentale (120km)

L’étude des séismes au voisinage des fosses océaniques permet également de différencier le comportement d’une lithosphère cassante par rapport à une asthénosphère plus ductile.

La discontinuité de Gutenberg, se situe à 2900 km de profondeur et sépare le manteau du noyau externe liquide

Enfin, la discontinuité de Lehmann située à 5100 km de profondeur se situe entre le noyau interne et le noyau externe liquide.

Les enregistrements sismiques associés à des études en laboratoire sur le comportement des roches sous différents conditions de pression et de température ont permis de proposer un modèle de structure en couches concentriques des enveloppes terrestres (modèle PREM: Preliminary Reference Earth Model).

C. UN MODELE THERMIQUE DE LA TERRE INTERNE.

La mesure des températures le long de forages dans les croûtes montre ainsi une augmentation de la température des roches avec la profondeur ou gradient géothermique (°C/km).

Le tracé représentant l’évolution de la température en fonction de la profondeur est appelé géotherme.

Le profil du géotherme est propre à chaque enveloppe terrestre

Cela s’explique par des mécanismes de transfert thermique aux efficacités très différentes

Par conduction dans la lithosphère et au niveau des discontinuités.

L’énergie thermique se transmet de proche en proche par modification de l’agitation des atomes (Par exemple une barre de métal chauffée à une extrémité devient de plus en plus chaude à l’autre extrémité).

Ce transfert de chaleur, dans un solide ou un fluide, se réalise sans déplacement global de matière et se révèle peu efficace ce qui explique le fort gradient géothermique dans la lithosphère

Par convection dans l’asthénosphère. Ce transfert thermique s’accompagne de la mise en mouvement de matière.

Les roches soumises en profondeur à une augmentation de leur température, deviennent moins denses, leur densité diminue et elles entament nt leur ascension.

Dans le même temps, les roches plus froides et plus denses situés près de la surface de refroidissement du système ont tendance à descendre en profondeur.

Des boucles de convection se mettent en place à grande échelle dans le manteau assurant un transfert de chaleur très efficace ce qui explique le faible gradient géothermique dans le manteau asthénosphérique et le manteau inférieur

D. DES HETEROGENEITES THERMIQUES DANS LE MANTEAU TERRESTRE.

On observe cependant des anomalies de vitesse des ondes par rapport au modèle PREM.

Des mouvements chauds ascendants (points chauds, dorsales) et froids descendants (fosses océaniques) sont ainsi mis en évidence grâce à la tomographie sismique.

La tomographie sismique est une technique permettant de cartographier l’intérieur du globe terrestre en 3 dimensions en utilisant les anomalies de vitesse des ondes sismiques.

Ainsi au niveau des zones de subduction, l’enfoncement de la plaque lithosphérique, plus froide crée une anomalie thermique négative.

Au niveau des dorsales et des points chauds, la remontée de matériaux plus chauds et donc ductiles crée une anomalie thermique positive.

C’est la dissipation de la chaleur interne de la Terre qui fournit l’énergie nécessaire à la tectonique des plaques