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Les discontinuités de la structure de la Terre

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Objectif
La vitesse des ondes sismiques de volume (ondes P et S) varie de façon brusque.
Quelles informations nous apportent ces variations de vitesse des ondes sismiques ?
Comment expliquer de tels contrastes entre les différentes couches du globe terrestre ?

1. Les différentes discontinuités

a. Le Moho ou discontinuité de Mohorovicic

Il s'agit d'une zone qui marque la limite entre la croûte terrestre et la limite supérieure de manteau. Elle a été découverte, en 1909, par le géophysicien yougoslave du même nom grâce à l'enregistrement sur un même sismographe de deux trains d'ondes P et S : un premier train d'ondes rapides s'était propagé dans une première couche, puis une seconde couche, et un second train correspondant à une onde ne s'était propagé que dans la première couche.

Doc. Le Moho.

Cette discontinuité est située à une profondeur de 10 km sous les océans, de 35 km en moyenne sous les continents et de 70 km sous les chaînes de montagnes. Elle ne correspond qu'à une variation de composition chimique des matériaux, puisque la matière rencontrée à cet endroit est de la matière solide (la densité ne varie pratiquement pas : d = 3 dans la croûte continentale et d = 3,3 au niveau de la lithosphère).

b. La discontinuité de Gutenberg

Il s'agit d'une zone située à 2 900 km de profondeur, entre le manteau inférieur et le noyau. La vitesse de propagation des ondes P et S augmente tout au long de la traversée du manteau, puis la vitesse des ondes P chute brusquement, tandis que les ondes S stoppent. Cet arrêt de propagation des ondes S permet d'indiquer que le noyau externe est de type liquide (les ondes S ne se propageant que dans les solides) : elle traduit donc le passage d'un état solide (le manteau) à un état liquide. Il y a changement de densité (d = 5,5 dans le manteau et d = 9,5 dans le noyau) et de composition chimique (couche solide : roches silicatées dans le manteau telles olivine et pyroxènes - couche liquide : fer majoritairement dans le noyau externe).

• Structure interne de la Terre
Survoler la coupe de la Terre pour faire apparaître les caractéristiques de chaque couche et localiser les discontinuité de Moho et de Gutenberg. Cliquer sur les loupes pour zoomer ou revenir en arrière.

c. La discontinuité de Lehman

Cette troisième discontinuité a été mise en évidence dans les couches profondes de la Terre, entre le noyau externe liquide et le noyau interne solide (la « graine ») : elle se situe à une profondeur de 5 000 km environ et marque le passage d'un état liquide à un état solide ; la composition chimique ne varie pratiquement pas, de même que la densité (d = 11,5 dans les zones profondes du noyau externe et d = 12 dans le noyau interne).

2. La zone LVZ : Low Velocity Zone

Elle se situe dans le manteau supérieur, à une profondeur comprise entre 70 et 150 km de profondeur : elle marque la limite inférieure de la lithosphère solide. Dans cette zone, le manteau a des propriétés de matériaux déformables et davantage plastiques, tandis qu'au-delà de cette barrière, il se comporte de nouveau comme un solide vis-à-vis des ondes sismiques qui se propagent. Dans la LVZ, la vitesse de propagation des ondes P et S freine brusquement, mais ne semble pas réfléchie ou réfractée. C'est ce comportement de ces ondes sismiques qui a permis de « diviser » le manteau en 2 zones distinctes : le manteau supérieur et le manteau inférieur.

L'essentiel

C'est donc l'étude des vitesses de propagation des ondes sismiques de type P et S qui a permis de déterminer la structure interne de la Terre. Une augmentation ou une diminution de la vitesse de propagation des ondes correspond ainsi soit à un changement de composition chimique du milieu, soit un changement d'état physique, soit les deux.

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