Structure de la Terre - Lycée Chateaubriand - Sciences de la Vie et de la Terre - PDF

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Document téléchargeable sur le site https://www.svt-tanguy-jean.com/ Lycée François-René DE CHATEAUBRIAND Introduction générale 136 BOULEVARD DE VITRÉ, CS 10637 35706 RENNES CEDEX 7 CLASSE PRÉPARATOIRE BCPST 1 La Terre (figure 1) est une planète tellurique (planète largement composée de Biologie Chimie Physique Sciences de la Terre roches et de métal comprenant une croûte, un manteau et un noyau) : il s’agit de la troisième planète (par ordre d’éloignement à l’étoile) du Système solaire et la seule où la présence de vie a été démontrée dans l’Univers, même si certains scientifiques ENSEIGNEMENT DE SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE (SVT) supposent que la vie peut / a pu / pourra exister ailleurs. °° SCIENCES DE LA TERRE °° >> Cours > Voir le TP ST BC (structure et dynamique de la Terre) pour la mise en application de ces capacités dans le cadre d’activités proposées sous forme d’exercices. Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 2 I. De l’étude des séismes au modèle radial de la Terre solide b. Les séismes, phénomènes naissant au niveau d’un foyer et ressentis La Terre interne, Terre solide ou géosphère est l’ensemble de la planète à maximalement à la surface au niveau de l’épicentre l’exclusion de ses enveloppes fluides (atmosphère, hydrosphère). L’étude des On appelle (figure 2) : séismes et de la propagation des ondes sismiques (sismologie, parfois  Foyer ou hypocentre le lieu où a eu lieu la rupture rocheuse en profondeur. « séismologie ») a permis d’en reconstituer la structure interne.  Épicentre le lieu à l’aplomb du foyer en surface, soit la projection du foyer Redisons-le : au sein de la « Terre solide », il existe un niveau liquide, le noyau externe. sur la surface. Il s’agit de l’endroit de la surface où la secousse est maximale et le premier point en surface atteint par les ondes sismiques.  Lignes isoséistes des lignes fictives reliant les points où le séisme a eu la A. L’étude des séismes : la sismologie même intensité. Ces aspects seront précisés dans le chapitre consacré aux déformations de la lithosphère 1. La nature et les manifestations des séismes a. Les séismes, ébranlements de la surface terrestre dus à une rupture rocheuse au sein de la lithosphère Épicentre Comme nous allons le voir plus loin, la couche superficielle rigide de la Terre solide peut être appelée lithosphère. Suite à l’exercice de contraintes anisotropes (= réparties différentiellement dans l’espace) et à l’accumulation locale d’énergie, il est possible d’engendrer une Foyer rupture brutale et un déplacement de masses rocheuses au sein de la lithosphère libérant une quantité importante d’énergie sous forme de vibrations (figure 1), ce qui constitue la manifestation profonde d’un séisme ou tremblement de terre, ensemble de secousses de la surface de la Terre plus ou moins violentes qui sont la manifestation sensible du phénomène qui a eu lieu en Faille profondeur. Les séismes ont souvent lieu au niveau de failles existantes mais peuvent aussi former de nouvelles failles.  FIGURE 2. Séisme dans un bloc diagramme. D’après Wikipédia (janvier 2022). c. La possibilité de répliques sismiques… voire de séismes multiples Certains séismes importants sont suivis de répliques (aftershocks), séismes qui surviennent peu de temps après un séisme majeur mais de moindre intensité (traduisant des ruptures secondaires qui accommodent la rupture principale ayant donné naissance au séisme principal). Elles ont lieu quelques secondes, heures à jours après la secousse principale. Quelques mois peuvent s’écouler mais s’agit-il alors des répliques d’un même séisme ? Les auteurs varient sur ce point… Il peut aussi y avoir des séismes doubles, triples… multiples (multiplet earthquakes) lorsque plusieurs séismes importants surviennent dans la même région de manière rapprochée. Il s’agit des conséquences du mouvement des mêmes masses rocheuses. Le temps entre deux séismes peut alors être de quelques secondes… à quelques années ! Mais les auteurs ne sont alors pas tous d’accord pour dire que des séismes aussi éloignés sont à rapprocher sismologiquement. Mouvement intersismique Mouvement cosismique d. Les séismes sont-ils cycliques et prévisibles ? ⇒ séisme  FIGURE 1. Origine d’un séisme et notion de cycle sismique. α. Notions de cycle sismique et de rebond élastique D’après LAGABRIELLE et al. (2013), adapté. Les séismes ont préférentiellement lieu au niveau de zones de sismicité précises, notamment les frontières de plaques lithosphériques (voir plus loin), et Le programme insiste sur le fait qu’un séisme (ou plutôt sa cause profonde) est une « fracture avec surviennent régulièrement dans ces zones. glissement qui se propage dans un milieu élastique », c’est-à-dire affecté mécaniquement, de manière généralement réversible, par les ondes mécaniques qui en résultent. Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 3  On a ainsi pu décrire un cycle sismique, c’est-à-dire une alternance de phases où l’énergie s’accumule en profondeur et de séismes où l’énergie est brutalement libérée. Ce cycle sismique peut être décomposé en (figure 1) :  Une phase intersismique (parfois appelée phase asismique) se caractérisant par un mouvement continu où le système rocheux accumule lentement de l’énergie sous des contraintes tectoniques et se déforme sans rupture, de manière élastique (voire légèrement plastique). Cela peut durer entre quelques années et 1000 ans.  Une phase cosismique (= pendant le séisme) se caractérisant par un mouvement discontinu et brutal où le système rocheux subit une rupture brève libérant l’énergie accumulée sous forme de vibrations. Cela peut durer entre quelques secondes et quelques minutes. Cette notion de cycle sismique se base sur la théorie du rebond élastique, proposée par l’Américain Harry F. REID (1859-1944) à la suite du terrible séisme de San Francisco en 1906, qui stipule qu’un matériau soumis à une contrainte de cisaillement se déforme progressivement de manière élastique voire plastique puis finit par rompre. Une contrainte de cisaillement est une contrainte mécanique appliquée parallèlement ou tangentiellement à la surface d’un matériau, par opposition à une contrainte normale qui est une contrainte mécanique appliquée perpendiculairement à la surface d’un matériau. β. La non-périodicité des séismes et leur imprédictibilité Si le cycle sismique conçu comme une alternance de phases inter- et cosismiques est une réalité, celui-ci semble ne pas avoir de périodicité fixe et aucune étude n’a à ce jour pu, de manière convaincante, définir une périodicité dans la répétition des séismes au sein d’une région donnée, tant les paramètres les contrôlant sont multiples et difficilement modélisables dans leur entièreté.  FIGURE 3. Un immeuble, construit sur des sédiments meubles, fracturé et effondré suite à Des modèles stochastiques estiment néanmoins une probabilité d’événement sismique en un séisme (Chili, 2010). D’après Wikipédia (janvier 2022). fonction de paramètres variés, comme le modèle EATS (Epidemic Type Aftershock Sequence, séquence épidémique type de répliques) qui modélise la fréquence des répliques après un séisme majeur. Le dégât illustré à la figure 3 est dû à un phénomène de liquéfaction du sol : il s’agit d’un phénomène sismo-géologique où le passage d’un train d’ondes sismiques sur un sol peu (!) « Cyclique » ne veut pas forcément dire « périodique » (!) consolidé et souvent saturé d’eau provoque la perte de sa consistance solide et de sa portance, provoquant potentiellement de graves dégâts matériels et humains. En effet, lors du passage des ondes de compression, la pression de l’eau présente dans les interstices du sol γ. Notions d’aléa, vulnérabilité et risque sismiques augmente et lui fait perdre sa cohésion. Si l’on ne peut pas prédire la date ou l’intensité d’un futur séisme, cela ne veut pas dire que l’on ne peut pas en estimer le risque. Il convient de distinguer : δ. Une estimation de l’aléa basée sur l’évaluation des déplacements instantanés de  L’aléa sismique A, probabilité de survenue d’un séisme dans une zone terrains et de plaques donnée pendant un laps de temps donné. Sa connaissance suppose une bonne connaissance de la localisation et de la profondeur des foyers récents, de la i. Une évaluation de l’énergie mécanique accumulée localement par extrapolation périodicité approximative des séismes et de l’énergie déployée lors des des mouvements de plaques et de terrains en zone sismique secousses. À défaut de prédire les séismes, l’on peut seulement en évaluer l’aléa, soit la  La vulnérabilité sismique V, susceptibilité qu’a un séisme de produire des probabilité. L’une des méthodes est de calculer/estimer l’énergie accumulée victimes et des dégâts matériels en une zone donnée. Cela dépend de la localement par les contraintes grâce à des modèles intégrant de multiples densité de population, du sol, du type de bâti (respectant ou non des normes facteurs : type de terrain, relief, contraintes connues, failles… et déplacement des parasismiques), de la proximité de la mer (risques de tsunamis, de submersion), plaques. On arrive alors à estimer approximativement la zone d’un futur séisme du relief… et même sa magnitude possible… sans pouvoir néanmoins dire quand il aura  Le risque sismique R = A × V, combinaison de l’aléa et de la vulnérabilité lieu. sismiques, soit les chances qu’en un lieu donné survienne un séisme qui fasse des victimes et des dégâts (figure 3). Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 4  ii. Un déplacement instantané des plaques qui peut être évalué par des mesures de  Le GPS (Global Positionning System, système de positionnement global) géodésie spatiale par GPS ou interférométrie radar (figure 4) est un système de géolocalisation permis par un réseau de satellites On parle de géodésie spatiale pour désigner les méthodes satellitales de américain ; le positionnement est déterminé par multilatération des signaux cartographie de la planète, qu’il s’agisse de son relief, sa bathymétrie, de ses radio reçus de plusieurs satellites. Des stations GPS permanentes (figure 5) caractéristiques géophysiques… tendant à être installées dans les zones de forte sismicité (ou de fort volcanisme aussi) et permettent de suivre très finement les déplacements locaux de terrains. Les Américains ont longtemps brouillé leur signal (qui avait une importance militaire et géostratégique). C’est l’une des raisons de la naissance d’un projet de réseau de satellites européens et civils qui s’appelle le projet Galileo et devrait atteindre sa pleine capacité en 2024. D’autres systèmes nationaux existent.  L’interférométrie radar (encadré A) est basée sur l’envoi d’ondes radio sur le sol – découpé en surface élémentaires à l’origine des pixels – qui réverbère ces ondes vers le satellite, le positionnement étant estimé par comparaison de la différence de trajets parcouru par l’onde (raccourcissement ou allongement) en un point donné entre les passages successifs du satellite au même point. Notons que le satellite est à une altitude fixe et passe au même point tous les 35 jours. Les résultats d’interférométrie sont généralement compilés annuellement mais ils peuvent aussi être considérés avant et après un événement géologique majeur, comme un séisme typiquement. La précision est centimétrique, voire millimétrique. Dans l’interférométrie radar, le décalage de temps de retour du signal radio entre deux passages du satellite est converti en distance. Le résultat apparaît sous forme de franges de zones ayant subi un déplacement : plus les franges sont fines, plus le déplacement est important.  FIGURE 4. Un enregistrement GPS et une carte cinématique vectorielle de déplacements instantanés (connus par GPS) correspondant à un séisme. D’après DAUTEL et al. (2021). e. La diversité des séismes : une typologie simple en fonction de l’origine du séisme En fonction de leur origine, on peut distinguer plusieurs types de séismes. α. Les séismes tectoniques Les séismes tectoniques sont les séismes provoqués par les mouvements et déformations des plaques lithosphériques. Ce sont, de très loin, les plus dévastateurs. β. Les séismes volcaniques Les séismes volcaniques sont les séismes provoqués par les mouvements de magmas jusqu’à (et incluant l’) éruption. Leur intensité, ainsi que la proximité de leurs foyers avec la surface, ne cessent de croître jusqu’à l’éruption, ce qui est un indice d’un réveil de volcan et d’une  FIGURE 5. Stations GPS permanentes à Papano et Acapulco (Mexique). https://newsroom.univ- éruption imminente. Les sismographes volcaniques sont un outil majeur pour grenoble-alpes.fr/sciences-et-technologies/les-seismes-lents-peuvent-declencher-des-secousses- prévenir les populations proches d’un volcan actif. 103171.kjsp (janvier 2022). γ. Les séismes glaciaires En comparaison aux géolocalisations grand-public, dont la précision est de l’ordre de plusieurs mètres, les géolocalisations utilisées en cinématique Les séismes glaciaires sont des séismes provoqués par la rupture et/ou instantanée sont de l’ordre centimétrique (voire millimétrique pour les plus l’avancée brutale d’un glacier. Ils sont surtout importants au niveau des calottes performantes). polaires. Deux systèmes permettent notamment de suivre le déplacement des plaques lithosphériques (et l’éventuelle variation de relief) en suivant des stations dont on peut mesurer l’éloignement ou le rapprochement progressif en continu : Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 5 Encadré A L’interférométrie radar δ. Les séismes artificiels Un séisme artificiel est un séisme produit par une activité et/ou une D’après BORDI, SAINTPIERRE et al. (2021) construction humaine. Les séismes artificiels peuvent être de nature et d’origine extrêmement variées : barrages, pompages profonds, explosions souterraines / en surface / nucléaires, bombardements, extraction minière… 2. Des phénomènes caractérisés par la propagation de trains d’ondes sismiques On appelle ondes sismiques les mouvements vibratoires et élastiques, de nature ondulatoire, qui se propagent dans les matériaux terrestres à partir du foyer d’un séisme. On rappelle qu’en physique, une onde est une perturbation qui se propage régulièrement dans un milieu et produit, sur son passage, une variation à la fois périodique et réversible des propriétés physiques locales. Quand une onde se propage à travers un milieu matériel qui subit une déformation associée à la propagation de l’onde, il s’agit d’une onde mécanique. C’est le cas des ondes sismiques. a. Des ondes enregistrables sur des sismogrammes produits par des sismographes au niveau de stations d’enregistrement Les dispositifs d’enregistrement des ondes sismiques s’appellent des sismographes ou sismomètres, alors que les enregistrements des ondes sismiques qu’ils produisent sont appelés des sismogrammes (voir figure 7 page suivante).  Traditionnellement, il s’agissait de dispositifs posés à même le sol avec un rouleau enregistreur sur lequel un stylet libre effectuait un tracé (figure 6). Ces dispositifs, dont les ancêtres remontent au XIXe siècle, sont encore parfois utilisés aujourd’hui.  Aujourd’hui, ce sont plutôt des dispositifs électroniques qui convertissent en signal électrique le signal sismique perçu là encore grâce à un contact avec le sol. Un dispositif d’acquisition informatique est alors associé (figure 7). Des stations d’enregistrements mobiles peuvent envoyer par satellite en temps quasi-réel leurs données, par exemple depuis l’intérieur d’un volcan. D’autres au contraire peuvent être placés sur les fonds océaniques (figure 8) ; ils envoient souvent des ondes radio. Il existe de très nombreuses stations d’enregistrements sismiques réparties à travers le globe, notamment sur les continents et les îles, appartenant à de nombreux centres de recherche ou Universités à travers le monde. On peut citer le réseau français Géoscope par exemple (figure 9), géré par l’IPBG [Institut de Physique du Globe de Paris] à Paris et l’EOST [École et Observatoire des Sciences de la Terre] à Strasbourg (1). (1) https://www.ipgp.fr/fr/geoscope/observatoire-geoscope, consultation janvier 2022 Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 6   FIGURE 7. Une station moderne d’enregistrement. https://www.francebleu.fr/infos/sante-sciences/un-tremblement-de-terre-ressenti-dans-le-gard- 1573471272 (consutlation janvier 2022)  FIGURE 6. Des sismographes mécaniques (traditionnels). D’après TAVERNIER & LAMARQUE (1996).  FIGURE 8. Sismographe IFREMER de fonds océaniques. Wikipédia (janvier 2022) Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 7   FIGURE 10. Un sismogramme. D’après LAGABRIELLE et al. (2013). Dilatation-compression Cisaillement  FIGURE 9. Le réseau Géoscope. D’après RENARD et al. (2018). b. La propagation et l’arrivée séquentielles de trois trains d’ondes aux caractéristiques propres Les sismogrammes (figure 10) enregistrent l’arrivée successive de trois trains d’onde (figures 10-12) :  Deux trains successifs d’ondes de volume ou ondes de profondeur qui sont Ondes P (longitudinales) Ondes S (transversales) des ondes se propageant au travers des différentes couches du globe. Ondes de volume (ondes de profondeur) 1/ Les ondes P (ondes premières), parfois dites longitudinales, sont des ondes de compression-dilatation qui se propagent dans tous les milieux du globe. Oscillations horizontales perpendiculaires à la propagation Oscillations verticales avec mouvement elliptique 2/ Les ondes S (ondes secondes) , parfois dites transversales, sont des ondes de cisaillement qui se propagent uniquement dans les milieux solides.  3/ Un train final d’ondes de surface, les ondes L, qui se propagent uniquement à la surface libre du globe. (!) Elles comprennent en réalité deux types principaux d’ondes : les ondes de LOVE (LL : se déplacent comme les ondes S mais sans la composante verticale) et les ondes de RAYLEIGH (LR : au mouvement complexe intégrant une dimension circulaire). L’enregistrement d’un sismogramme complet suppose un enregistrement dans chaque dimension de l’espace, assurant la reconstitution d’un repère orthonormé (figure 10). Ondes LL (LOVE) Ondes LR (RAYLEIGH) Pour reconnaître les ondes : Ondes de surfaces = ondes L  Les ondes P sont les plus rapides et constituent donc le premier train d’ondes enregistré.  Les ondes S sont souvent plus amples et constituent le deuxième train d’ondes.  FIGURE 11. Les ondes sismiques et le mouvement des particules associé.  Les ondes L sont clairement les plus amples, mais aussi les plus lentes, et donc le dernier train D’après SANTOS et al. (2019), adapté / complété. d’ondes. Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 8   FIGURE 12. Ondes de volume vs. de surface. D’après LAGABRIELLE et al. (2013). c. Une vitesse des ondes de volume qui augmente lorsqu’elles traversent des couches profondes : l’enseignement des hodochrones Les vitesses des ondes sismiques de volume peuvent être données par les  FIGURE 13. Hodochrone(s). D’après PEYCRU et al. (2008). formules ci-dessous. d. Une multilatération possible de l’épicentre d’un séisme à partir des vP : vitesse des ondes P vS : vitesse des ondes S enregistrements de plusieurs stations Ks : module d’incompressibilité (quantifie la réistance à la compression) µ : module de cisaillement (quantifie la résistance au cisaillement) ρ : masse volumique LAGABRIELLE et al. (2008) Il est remarquable de constater que, quel que soit le séisme considéré, la vitesse des ondes P et S augmente à mesure que l’on s’éloigne de l’épicentre, donc que les ondes ont été en profondeur (figure 13). Pourtant, les matériaux sont de plus en plus denses avec la profondeur : la masse volumique étant au dénominateur, on s’attendrait au contraire à une vitesse s’affaiblissant… Comme ce n’est pas le cas, cela implique les paramètres d’élasticité Ks et µ augmentent plus vite que la masse volumique avec la profondeur. On appelle hodochrone (figure 13) un graphique (1) ou une courbe donnant le temps d'arrivée d'une onde à une station sismologique en fonction de la distance épicentrale. (1) Le graphique correspondant est souvent appelé hodographe par les géologues mais, rigoureusement, un hodographe est une représentation vectorielle de vitesses instantannées d’un corps en déformation… un peu différent donc…  FIGURE 14. Localisation d’un séisme. D’après LAGABRIELLE et al. (2013). Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 9  La triangulation (voire quadriangulation, ou plus) des trains d’arrivée des ondes sismiques sur plusieurs stations permet, grâce au retard d’arrivée qui dépend de la distance à l’épicentre, de situer l’épicentre d’un séisme (figure 14). e. Des ondes déviées par des discontinuités physiques et chimiques et enregistrables, avec atténuation, sur l’ensemble de la planète (sauf dans la zone d’ombre) Lorsqu’elles rencontrent des discontinuités physico-chimiques, les ondes sismiques subissent les lois de l’optique comme lorsque des rayons lumineux changent de milieu de propagation. Elles peuvent alors être (figures 15-16) :  réfléchies : elles rebondissent sur la discontinuité.  réfractées : elles sont déviées par la discontinuité lors du changement de milieu.  coniques : elles suivent la discontinuité avant de revenir vers la surface. Station Épicentre d’enregistrement Onde directe Front d’onde Surface de la Terre Onde réfléchie Foyer = hypocentre Discontinuité Onde réfractée  FIGURE 17. Une zone d’ombre entre 105° et 143° due au noyau externe. Les ondes directes disparaissent à 105°, soit 11500 km de distance à l’épicentre.  FIGURE 15. Séisme et déviation des ondes sismiques (vision simplifiée). Les ondes doublement réfractées réapparaissent à 143°, soit 14500 km de l’épicentre. Original 2011 (cours de Première S). D’après LAGABRIELLE et al. (2013).  FIGURE 16. Ondes directes / réfléchies / coniques. D’après LAGABRIELLE et al. (2013). Les rais sismiques peuvent subir de multiples réfractions et arriver en de nombreux endroits du globe. Leur amplitude s’atténue avec la propagation. On appelle zone d’ombre (figure 17) la zone où aucune onde traversante directe P ou S n’est reçue. Elle met en évidence le noyau externe. L’absence de propagation des ondes S dans ce milieu indique que son état est liquide.  FIGURE 18. La multiplicité des trajets de rais sismiques. D’après LAGABRIELLE et al. (2013). Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 10  Notons néanmoins que, par les biais de réflexions et réfractions multiples, des b. La magnitude d’un séisme : l’échelle (ouverte) de RICHTER (1930), la ondes finissent par arriver partout (figure 18)… Il y a même des conversions d’ondes lors provoquées par les changements de milieu (figures 17-18) ! magnitude de moment (HANKS-KANAMORI, 1979) La magnitude est une mesure de l’importance d’un séisme calculée à partir de l’amplitude des mouvements du sol et qui renseigne sur la quantité d’énergie 3. Des séismes d’amplitude variable : notions d’intensité et de magnitude libérée par un séisme. L’importance des séismes peut être quantifié selon deux modalités complémentaires mais assez différentes. Ce concept a été inventé par l’Américain Charles F. RICHTER (1900-1985) (1930) et l’on emploie encore aujourd’hui l’échelle de RICHTER, parfois qualifiée d’ouverte car elle n’a pas de niveau a. L’intensité d’un séisme : les échelles de MERCALLI (1903), MSK (1964)… sommital… C’est une échelle logarithmique, initialement adaptée à la sismicité californienne. Un On appelle intensité d’un séisme la quantification des dommages provoqués par séisme de magnitude 7 libère ainsi 100 fois plus d’énergie qu’un séisme de magnitude 5 ! le séisme. Notons néanmoins que d’autres types de magnitudes existent en réalité et sont davantage C’est un paramètre qualitatif qui se base sur le ressenti des secousses et utilisées par les sismologues que la formule originale de RICHTER. On emploie ainsi beaucoup l’appréciation des dommages matériels dus au séisme. Évidemment, une part de aujourd’hui l’échelle de magnitude de moment, introduite en 1979 par Thomas C. HANKS et Hiroo subjectivité existe dans : KANAMORI.  La définition des seuils de dommages  Leur appréciation par le géologue La magnitude de moment, notée Mw, est un nombre sans dimension défini par :  Les différences d’appréciation qui ressortent des différences de bâti ou de terrain entre plusieurs lieux donnés… Avant l’accès à la magnitude, ces échelles étaient néanmoins les seuls moyens où M0 est le moment sismique en N m : accessibles pour estimer l’amplitude d’un séisme. C’est aussi le seul outil pour où μ est le module de cisaillement du milieu (en Pa = N m–2), S la surface rompue durant le les séismes historiques, connus seulement par des descriptions et non par des séisme (en m2) et Δu le déplacement moyen ayant eu lieu sur la faille (en m). mesures. Plusieurs échelles existent, dérivant les unes des autres : échelle de ROSSI-FOREL Les constantes de la formule permettent une cohérence avec l'échelle de RICHTER pour les petits et moyens séismes (XIXe siècle), échelle de MERCALLI (1883, 1902), échelle MCS MERCALLI-CANCANI- SIESBERG, échelle MWN MERCALLI-WOOD-NEUMANN (1931), échelle MSK MEDVEDEV-  TABLEAU II. Typologie des séismes en fonction de la magnitude. Wikipédia (2022) SPONHEUER-KARNIK (1964) (tableau I), échelle macrosismique européenne (1998)… Le record absolu mesuré à ce jour est le séisme de Valdivia (Chili) en 1960 à (magnitude 9,5)  TABLEAU I. Un exemple d’échelle d’intensité de séismes : l’échelle MSK (1964). (foyer 33 km de profondeur). La ville fut complètement détruite, le trait de côte du Chili modifié et Wikipédia (2022) un tsunami avec des vagues submersives de 25 m fut observé, touchant toutes les côtes pacifiques (12 m à Hawaï). Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 11 4. Répartition et mécanismes au foyer des foyers : un lien avec la géodynamique a. La répartition des séismes et de leurs foyers α. La répartition horizontale des séismes : une concentration aux limites des plaques lithosphériques Si l’on regarde la répartition des épicentres de séismes à l’échelle planétaire (figure 19), on constate qu’ils découpent la surface terrestre en plaques plus ou moins grandes. Ce sont les plaques lithosphériques ou plaques tectoniques (figures 20-21), fragments de lithosphère plutôt stables en leur centre mais où les limites sont géodynamiquement très actives (failles, séismes, rifts, subductions, volcans…). Ces plaques sont mobiles. On peut distinguer des plaques majeures et des micro-plaques, voire des plaques principales / secondaires / tertiaires… Leur nombre varie selon les auteurs tant on peut discuter des frontières effectives de plaques dans certaines zones (pensons à la zone méditerranéenne par exemple !) ou des critères pour les sérier. La ceinture pacifique libère 80 % de l’énergie sismique annuelle.  FIGURE 20. Les principales plaques tectoniques. Wikipédia (janvier 2022).  FIGURE 19. La sismicité mondiale : magnitude, profondeur de foyer, répartition (depuis 1904). International Seismological Center (06 avril 2021).  FIGURE 21. Les principales plaques tectoniques et la nature de leurs limites. http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/1.17.gif (janvier 2022). Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 12  β. La répartition verticale des foyers séismes : une profondeur des foyers Encadré A La construction des mécanismes au foyer dépendant du contexte géodynamique (+ notion de zone de WADATI-BENIOFF) On classe généralement les séismes en trois catégories en fonction de la profondeur de leur foyer : La construction d’un mécanisme au foyer  Séismes superficiels : foyer compris entre 0 et 33 km.  Séismes intermédiaires : foyer compris entre 33 et 70 km.  La représentation d’un mécanisme au foyer se fonde une sphère virtuelle centrée sur le  Séismes profonds : foyer situé au-delà de 70 km [on a déjà signalé des foyers foyer, la sphère focale. à 700 km dans certaines zones de subduction].  Elle est divisée en quatre quadrants dont les limites sont deux plans perpendiculaires qui se croisent au niveau du foyer nommés plans nodaux. L’un de ces plans est le plan de faille ou La plupart des séismes sont superficiels, en lien avec la faible épaisseur de la plan nodal principal, l’autre est un plan virtuel perpendiculaire au plan de faille nommé plan lithosphère et notamment de la croûte terrestre. nodal auxiliaire. Les séismes intermédiaires et profonds (figure 19) se rencontrent dans les zones  La production du mécanisme au foyer repose sur de nombreux enregistrements du séisme de convergence (figures 21 et 22), principalement les zones de subductions où localisés dans des stations variées. les plaques lithosphériques rigides peuvent descendre profondément.  Sur chaque sismogramme, le premier mouvement du sol tracé par un sismomètre vertical (appelé impetus des ondes P chez PERRIER, BEAUX et al., 2021… terme peu fréquent Comme nous le verrons dans le chapitre suivant, dans les zones de subduction, les foyers de ailleurs, semble-t-il) est considéré pour déterminer si le secteur est en compression ou dilatation : séismes s’alignement grossièrement sur un plan correspondant au panneau plongeant (froid) qui s’enfonce dans l’asthénosphère : c’est la zone de WADATI-BENIOFF (évitez l’ancien terme  Si le premier pic est dirigé vers le haut, alors le sol a commencé par se soulever, donc par « plan » de WADATI-BENIOFF car les foyers se répartissent en réalité sur une certaine épaisseur). s’éloigner du foyer : le secteur est en compression. Ce secteur est conventionnellement coloré en noir.  Si le premier pic est dirigé vers le bas, alors le sol a commencé par s’affaisser, donc par se Latitude (en °) rapprocher du foyer : le secteur est en dilatation. Ce secteur est conventionnellement coloré en blanc. Premier pic Premier pic vers le bas vers le bas Premier pic vers le haut Profondeur (en km)  FIGURE 22. La sismicité verticale (foyers) au niveau d’une zone de subduction : mise en évidence de la zone de WADATI-BENIOFF sous les Petites Îles de la Sonde. Wikipédia (janvier 2022). b. Les mécanismes au foyer, des représentations sphériques des contraintes au niveau du foyer du séisme FIGURE 23. Des sismogrammes au mécanisme au foyer : principe d’établissement. Un mécanisme au foyer (focal mechanism, parfois surnommé beach ball) de D’après PERRIER, BEAUX et al. (2021), modifié. séisme est une représentation sphérique du mouvement relatif des compartiments de roche au moment de la rupture le long du plan de faille Bien entendu, un mécanisme au foyer peut être observé depuis n’importe quel séparant les blocs (encadré A + figures 23-24). point de vue, mais sur une carte (exemple à la figure 26), ces mécanismes sont vus du dessus. Pour comprendre : deux vidéos Des allures typiques de mécanismes au foyer s’observent en fonction du type de Une explication d’Alix HELME-GUIZON (BCPST2, LEGTA Angers le Fresne) et quelques exercices simples : faille impliquée dans le séisme (figure 25-26), même si évidemment, des https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=e7Dja7epxso&feature=youtu.be mécanismes au foyer intermédiaires et composites existent, traduisant des https://www.youtube.com/watch?v=CKVIjV2pP1A contraintes géodynamiques variées à l’œuvre (figure 27). Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 13  Typiquement en cartographie (en vision du dessus) (figures 25-26) :  Le mécanisme au foyer d’un séisme associé à une faille inverse présente un I noir et des bordures blanches.  Le mécanisme au foyer d’un séisme associé à une faille normale présente un I blanc et des bordures noires.  Le mécanisme au foyer d’un séisme associé à une faille décrochante présente quatre quadrants (deux blancs, deux noirs).  FIGURE 26. Quelques mécanismes au foyer les régions sismiquement actives. D’après RENARD et al. (2018)  FIGURE 24. Un schéma un peu plus complet montrant l’importance de l’enregistrement de sismogrammes dans des lieux variés pour reconstituer la sphère focale. D’après RENARD et al. (2018)  FIGURE 25. Typologie des mécanismes au foyer et contexte géodynamique. D’après DAUTEL et al. (2021)  FIGURE 27. Sismicité près de la Mer adriatique. D’après SARAÒ et al. (2020) Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 14 5. Bilan sur les séismes B. Le modèle radial de la Terre solide (géosphère) 1. Le modèle PREM (1981), résultat de la compilation de très nombreuses données sismiques Les résultats des études sismologiques et les discontinuités majeures mises en évidence par ce biais ont permis d’établir le modèle radial de la Terre, c’est-à- Peu usitée aujourd’hui ; dire la structure verticale du globe en enveloppes concentriques. préférer la magnitude Publié en 1981 par les Américains Adam M. DZIEWONSKI (1936-2016) et Don L. de moment ANDERSON (1933-2014) en compilant un très grand nombre de données sismiques disponibles à l’époque, ce modèle fut appelé modèle PREM pour Preliminary Reference Earth Model (modèle préliminaire de référence de la Terre), les auteurs croyant vraiment à l’époque qu’un meilleur modèle serait publié voire plastique ensuite… On utilise pourtant encore celui-là aujourd’hui ! Ce modèle comprend, par compilation des données sismiques et calculs physiques, plusieurs profils verticaux (figure 28) dont les principaux sont : RISQUE = ALÉA × VULNÉRABILITÉ  Un profil vertical des vitesses des ondes P et S ;  Un profil vertical de pression ; Rupture  Un profil vertical de densité (initialement de masse volumique, dans l’article) ;  Un profil vertical de gravité.  FIGURE 28. Le modèle PREM : les principaux profils publiés dans l’article de 1981. D’après PERRIER, BEAUX et al. (2021). D’’ 2. Trois discontinuités et quatre couches majeures a. Les grandes discontinuités : MOHOROVIČIĆ (Moho) (moy. 30 km), GUTENBERG (2900 km) et LEHMANN (5100 km) On peut appeler discontinuité sismique une surface au niveau de laquelle les ondes sismiques sont réfléchies ou réfractées. Elles sont interprétées comme des discontinuités physico-chimiques, marquant un changement de milieu de propagation des ondes. (!) Si le positionnement (la profondeur) de ces discontinuités a été précisé par le modèle PREM, ces discontinuités sont en réalité connues de plus longue date (début du XXe siècle).  FIGURE 28. Synthèse sur les séismes. D’après BORDI, SAINTPIERRE et al. (2021), corrigé. Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 15   FIGURE 29. Le modèle PREM : les principales discontinuités. D’après PERRIER, BEAUX et al. (2021). Le modèle sismique de la Terre (figures 28-29) met en évidence trois discontinuités majeures :  la discontinuité de MOHOROVIČIĆ (1909) – qu’on appelle souvent le Moho – située en moyenne à 30 km de profondeur, en réalité de profondeur variable comprise entre 0 et 80 km (figure 30) : Andrija MOHOROVIČIĆ (1857-1936) était un météorologue devenu sismologue yougoslave (croate).  FIGURE 30. Le carte de profondeur du Moho. D’après RENARD et al. (2018). o en moyenne 30 km sous les continents (épaisseur moyenne de la croûte continentale) o en moyenne 7 km sous les océans (épaisseur moyenne de la croûte b. Les grandes couches ainsi séparées : croûte [solide], manteau [solide], océanique). noyau externe [liquide] et noyau interne (= graine) [solide]  Là où la croûte s’amincit et où remonte le manteau, le Moho peut être à 0 km de profondeur…  À l’inverse, là où des racines crustales importantes existent sous une montagne, un Moho Les quatre couches principales (figures 29 et 31) ainsi délimitées sont les atteignant jusqu’à 80 km de profondeur est envisageable. suivantes : a) La croûte ou écorce. Elle est épaisse de 30-35 km en moyenne sous les  la discontinuité de GUTENBERG (1912) aussi appelée CMB (core mantle continents (croûte continentale ; densité moyenne 2,7) et de 7 km en moyenne boundary, frontière noyau-manteau), à 2900 km de profondeur, sous les océans (croûte océanique ; densité moyenne 2,9). Elle est à l’état Beno GUTENMBERG (1889-1960) était un géologue et sismologue allemand. solide et représente 1 % du volume de la planète.  la discontinuité de LEHMANN (1936) à 5100 km de profondeur. Inge LEHMANN (1857-1936) était une géophysicienne danoise. Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 16  b) Le manteau. C’est la couche la plus importante en volume (83 % du volume On explique ce ralentissement des ondes par un changement d’état rhéologique de la Terre). Il présente des densités comprises entre 3 et 5,5. Il est compris des matériaux terrestres (en l’occurrence la péridotite) qui serait conséquent au entre le Moho et 2900 km de profondeur. rapprochement du géotherme (augmentation de la température de la Terre solide avec la profondeur / pression) [voir III] et du solidus (ligne d’un Remarque importante : si le manteau est globalement solide, cela ne l’empêche pas de subir diagramme de phases séparant l’état solide et la coexistence des états solide localement une fusion de ses constituants ; environ 1 % du manteau est du magma (= roches fondues). La croûte présente également des zones localisées de fusion. et liquide ; c’est donc la limite d’apparition des premiers liquides) des roches, sans qu’il n’y ait croisement des courbes (figure 32). c) Le noyau externe. Il est liquide (c’est la seule partie liquide de la Terre (!) De plus en plus auteurs avancent toutefois une légère fusion (à hauteur de 1 %) du manteau interne) et s’étend de 2900 à 5100 km de profondeur. dans cette zone. d) Le noyau interne ou graine. Situé entre 5100 et 6370 km de profondeur (centre de la Terre), il est solide. Le noyau représente 16 % du volume planétaire…. mais 31 % de la masse ! On peut noter qu’il présente des densités très supérieures aux autres couches terrestres (environ 12).  FIGURE 32. La LVZ (a) et son origine (b). D’après PERRIER, BEAUX et al. (2021). b. Asthénosphère et lithosphère : trois définitions complémentaires La LVZ fait donc passer une limite au sein du manteau supérieur à l’origine de la définition de la lithosphère et de l’asthénopshère.  FIGURE 31. Structure de la Terre interne. D’après DUCO et al. (2001) et LIZEAUX, BAUDE et al. (2007). α. La définition sismique : croûte-manteau avant LVZ vs. LVZ et reste du manteau supérieur 3. La LVZ et la distinction lithosphère-asthénosphère À partir de ce constat, on distingue deux zones :  la lithosphère située au-dessus de la LVZ (de 0 à environ 100 km de profondeur) qui comprend ainsi la croûte et une petite partie du manteau a. La LVZ, zone de moindre vitesse des ondes sismiques qui s’explique par supérieur. un rapprochement du géotherme et du solidus des roches  l’asthénosphère incluant la LVZ située au-dessous, comprenant le reste du On remarque dans le manteau, généralement entre 100 km et 250 km de manteau supérieur (incluant la LVZ), située entre environ 100 et 670 km de profondeur une zone d’affaiblissement important des vitesses des ondes profondeur. sismiques, notamment des ondes P (figure 32) : c’est la LVZ (Low Velocity Zone, zone de faible vitesse). Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 17  β. La définition thermique : au-dessus vs. au-dessous de l’isotherme 1300 °C ε. Deux précisions On peut aussi définir (figure 33) :  la lithosphère comme la portion de croûte et manteau supérieur située au- i. La profondeur de la LVZ ou LAB (et donc de la lithosphère), une réalité très dessus de l’isotherme 1300 °C, variable, notamment sous les continents  et l’asthénosphère comme la portion de manteau supérieur située au-dessous de l’isotherme 1300 °C. Un isotherme est une surface fictive reliant tous les points de même température.  FIGURE 34. Profondeur de la LVZ (limite lithosphère-asthénosphère).  FIGURE 33. Répartition verticale des isothermes au niveau d’une zone de subduction. D’après LAGABRIELLE et al. (2013). Source à préciser. γ. La définition rhéologique : niveau rigide vs. niveau ductile La rhéologie est l’étude physique de la déformation des matériaux sous l’effet de contraintes mécaniques. Un matériau solide – et c’est bien solide, hein ! – peut avoir, suite à une déformation, un comportement :  Ductile : la contrainte provoque une déformation du matériau sans rupture. o Élastique : la contrainte provoque une déformation réversible du matériau. o Plastique : la contrainte provoque une déformation irréversible du matériau sans rupture.  Rigide = fragile = cassant : la contrainte provoque une rupture du matériau. On peut aussi définir :  la lithosphère comme la portion de croûte et manteau supérieur qui a un comportement globalement rigide, Ce point sera précisé et affiné dans le chapitre consacré à la déformation.  et l’asthénosphère comme la portion de manteau supérieur qui a un comportement ductile. δ. Bilan : tentative de définition croisée Finalement, on peut proposer la synthèse suivante :  la lithosphère est la couche superficielle de la Terre, profonde de 100 km en moyenne, correspondant à la croûte et à la partie sommitale du manteau supérieur, siotuée au-dessus de la LVZ et de l’isotherme 1300 °C et ayant un comportement globalement rigide,  et l’asthénosphère est la couche superficielle de manteau supérieur, située entre 100 km environ et 670 km de profondeur, incluant la LVZ et le reste du manteau supérieur, localisée au-dessous de l’isotherme 1300 °C et ayant un  FIGURE 35. Carte de l’âge des continents. comportement ductile. D’après LAGABRIELLE et al. (2013). Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 18  La profondeur de la LVZ (parfois appelée LAB pour Lithosphere-Asthenosphere (!) Sur le mot « mésosphère » : Boundary), et donc l’épaisseur de la lithosphère, est un paramètre très variable  Pour certains auteurs minoritaires, le terme désigne l’ensemble du manteau après la LVZ, (figure 34) : notamment les auteurs pour lesquels l’asthénosphère se réduit à la LVZ.  Plutôt fine sous les océans (en général entre 60 et 100 km)  Le terme est aussi utilisé pour désigne la couche de l’atmosphère située entre la stratosphère  Plutôt épaisse sous les continents (en général entre 100 km et jusqu’à 300 !). et la thermosphère (50-85 km d’altitude). L’explication de cette profondeur a fait l’objet de diverses modélisations explicatives, notamment le FHS (finite half-space model). Sans rentrer dans le détail et au premier ordre, on peut s’accorder sur quelques éléments :  Il y a décorrélation entre l’épaisseur de la croûte (figure 30, plus haut) et l’épaisseur de la LVZ (figure 35) au sein des continents.  Les boucliers* les plus anciens ont (souvent) des lithosphères très profondes (figure 35), souvent en lien avec un très faible flux de chaleur d’origine mantellique dans ces zones.  Les dorsales (figure 35) ont des lithosphères fines, souvent en lien avec un fort flux de chaleur et une remontée mantellique locale. * Un peu de vocabulaire On appelle (en français, car les mots peuvent avoir un sens variable en anglais ou allemand) :  Craton : une vaste portion stable du domaine continental, largement composée de roches magmatiques et métamorphiques, souvent située au milieu des plaques lithosphériques, loin de la plupart des contraintes géodynamiques.  Bouclier : un craton d’âge souvent largement précambrien qui n’est pas recouvert par des sédiments récents.  Socle ou substratum : formation géologique, par exemple de type craton, sur laquelle repose une autre formation géologique, par exemple des sédiments plus récents. ii. L’asthénosphère ne correspond qu’à la LVZ pour certains auteurs (minoritaires) Enfin, notons que certains auteurs invitent à ne considérer comme asthénosphère que la seule LVZ, couche la plus ductile (le reste du manteau supérieur avec le manteau inférieur formant alors la mésosphère au sens de ces auteurs). Cette position est toutefois minoritaire et l’on pourra noter que, en termes de dynamique mantellique, cette zone ainsi définie ne correspond pas forcément à un concept très opérationnel. 4. La structuration verticale du manteau Au sein du manteau, on peut noter la présence des variations dans la propagation des ondes sismiques. α. La LVZ et la distinction manteau lithosphérique-manteau asthénosphérique (voir 3.b) Ces aspects viennent juste d’être abordés.  FIGURE 36. Des sauts de vitesse dans le manteau. D’après PERRIER, BEAUX et al. (2021). β. Des sauts de vitesse à 410 km et 670 km de profondeur ; notions de manteau supérieur (incl. zone de transition), manteau inférieur (= mésosphère) γ. Une cessation de la hausse de vitesse moyenne (avec forts hétérogénéités On peut noter la présence de deux sauts de vitesse, notamment des ondes P, à latérales) dans les 200 derniers km, définissant la couche D’’ (cimetière de plaques 410 km et 670 km de profondeur (figure 36). On peut appeler zone de transition du subduites, couche d’ancrage des panaches, interface avec le noyau) manteau la région située entre 410 et 670 km de profondeur. La profondeur de Les 200 derniers km (environ) du manteau, formant la couche D’’, sont 670 km définit la limite entre manteau supérieur et manteau inférieur, ce dernier caractérisés par une relative stabilité de la vitesse des ondes sismiques, étant aussi appelé mésosphère (faisant le pendant à l’asthénosphère et la notamment des ondes P (figure 37), même si, en réalité, cela masque lithosphère). d’importantes variations de vitesses latéralement et donc des hétérogénéités Ces sauts de vitesse s’expliquent, comme nous le verrons plus loin, par des latérales importantes dans la composition de cette couche. changements d’état minéralogique et cristallin des roches mantelliques. Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 19  Cette couche a fait et fait encore l’objet de nombreuses études géophysiques et géochimiques mais les travaux récents s’accordent pour y voir les éléments suivants (figure 37bis) :  Les roches présenteraient notamment un type minéral nommé post-pérovskite attesté par les études de pétrologie expérimentale (voir plus loin).  Les panaches mantelliques (mantle plumes), remontées chaudes et localisées de manteau prenant généralement naissance au niveau de la couche D’’, s’y ancrent et y prennent en effet naissance, qu’il s’agisse des petits panaches ou des gros (« superpanaches » ou « superplumes »).  De nombreuses lithosphère ayant subi jadis une subduction s’accumuleraient au niveau de la couche D’’, ce qu’on appelle parfois un cimetière de slabs ou slab graveyard.  Il est probable que ces cimetières de plaques soit ce qui apporte les éléments subissant un chauffage et nourrissant les panaches mantelliques en matière. LAY (2015) résumé d’ailleurs cette idée (pas très ancienne) par ces mots : « One decade’s ‘superplumes’ become the next decade’s ‘superpiles,’ with major shifts in perception of the roles played by seismically detected heterogeneities ». On peut traduire cela ainsi : « Les ‘superpanaches’ d'une décennie deviennent les ‘superamas’ [de lithosphères subduites] de la décennie suivante, avec des changements majeurs dans la perception des rôles joués par les hétérogénéités détectées sismiquement ».  Des liens thermiques voire chimiques, encore largement à préciser, existeraient avec le noyau externe liquide sous-jacent, sans toutefois qu’un mélange des couches n’intervienne. Le mécanisme expliquant que certaines  FIGURE 37. Modèle PREM revisité par LAY (2015). zones de la couche D’’ soient plus chauffées que d’autres reste largement D’après LAY (2015) avec encadrement de la couche D’’. discuté (pour ne pas dire incompris).  Il y aurait très probablement, localement, une fusion partielle de la matière au niveau de la couche D’’. Des zones de fort ralentissement des vitesses des Manteau inférieur ondes, nommées ULVZ (Ultra Low Velocity Zones), sont ainsi détectées à la base des superpanaches. On supposent qu’elles présentent une fusion partielle et bénéficient d’un enrichissement métallique par le noyau sous-jacent. 5. Pour finir par une anecdote : la discontinuité de CONRAD séparant croûte continentale « supérieure » et « inférieure », un concept discutable Certains auteurs signalent que la croûte continentale présenterait une discontinuité sismique légère, vers 15-20 km de profondeur, pas toujours observable, divisant la couche en une croûte inférieure et une croûte supérieure : c’est la discontinuité de CONRAD. L’existence et la pertinence de cette distinction sont relativement remises en cause aujourd’hui, même si quelques auteurs continuent d’y voir un intérêt. Cette discontinuité (figure 38), très discutée et apparemment surtout présente en Europe, a été interprétée historiquement comme :  Une séparation entre les deux niveaux qu’on pensait jadis (au XXe siècle jusque dans les années 1960 voire 1970) composer la croûte, le Sial (composée surtout de silicates avec une certaine Noyau externe richesse en aluminium) et le Sima (composée surtout de silicates avec une certaine richesse en magnésium)  FIGURE 37bis. Couche D’’ [pour information]. D’après PLUMMER et al. (2016).  Une séparation entre une croûte supérieure plutôt magmatique acide (granites…) et une croûte inférieure plutôt métamorphique (amphibolites, granulites…) ou magmatique basique Des études sismiques et géodésiques récentes redéfinissent la limite entre les 200 kilomètres (basaltes, gabbros…). inférieurs du manteau (couche D’’) et le noyau externe. Des « sédiments » de silicate de fer  Une limite entre un niveau très rigide et un niveau plus ductile de la croûte continentale (représentés en marron) peuvent s'élever du noyau liquide sous-jacent et remplir les cellules (potentiellement en lien avec le point précédent). convectives ou assurer des échanges à la limite noyau-manteau (CMB). Par ailleurs, le matériau du noyau externe (représenté en jaune) peut faire fondre le manteau le plus bas (représenté en rouge) qui forme alors la zone d’ultra-faible vitesse (ULVZ, Ultr Low Velocity Zone). Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 20   FIGURE 38. Un schéma récent où apparaît encore la discontinuité de CONRAD. D’après FOUCAULT et al. (2014). Sur ce schéma, vous pouvez néanmoins retenir les valeurs moyennes de vitesses des ondes P 6. Bilan sur la structure du globe Voir figures 39-42. (!) Ces documents anticipent un peu sur la partie II qui aborde la composition des couches.  FIGURE 39. Un modèle radial de la Terre. D’après PEYCRU et al. (2015).  FIGURE 40. Un modèle PREM plus précis avec le graphe. D’après RENARD et al. (2018). Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 21  Ductile  FIGURE 41. Un autre modèle radial de la Terre plus simple. D’après DAUTEL et al. (2021). LAB  FIGURE 42. Une tentative de synthèse comparative de la terminologie variable utilisée pour les couches supérieures de la Terre. Original 2022. Lycée Chateaubriand (35) Classe préparatoire BCPST SVT SCIENCES DE LA TERRE Chapitre 21. La structure de la planète Terre Cours complet rédigé Page 22 C. Une application des propriétés sismiques à la compréhension fine de l’organisation des niveaux géologiques 1. Une mise en évidence d’hétérogénéités dans le manteau par l’étude des anomalies de vitesses des ondes sismiques : la tomographie sismique Voir le TD BC (Structure et dynamique du globe) et le chapitre 22 (Dynamique des enveloppes terrestres) pour des exemples concrets. La tomographie sismique (figures) est une cartographie en deux ou trois dimensions des anomalies* de propagations des vitesses d’ondes sismiques dans le globe, principalement dans la croûte et surtout le manteau. Les anomalies* de vitesses des ondes sismiques sont des écarts entre la vitesse effectivement calculée (à partir de nombreux séismes) en un point donné et la vitesse moyenne des ondes attendue à la profondeur considérée (soit la vitesse du modèle PREM). * Très important : la notion d’anomalie en géologie En géologie, une anomalie est un écart, pour un paramètre géologique, entre une valeur effectivement mesurée (éventuell