Mise en évidence de la structure interne du globe par l'étude des ondes sismiques

Les différentes couches composant la structure interne du globe ont été mises en évidence par des discontinuités dans les vitesses de propagation des ondes sismiques (lorsqu’elles traversent les différentes couches). D’une couche à l’autre, les matériaux changent de densité et de composition chimique, ce qui fait varier la vitesse de propagation des ondes sismiques.

Il existe deux grandes catégories d’ondes qui se distinguent par leur mode de propagation :

• les ondes de surface (ondes L) qui se propagent à la surface du globe et dans la croûte terrestre. Elles provoquent tous les dégâts liés aux tremblements de terre ;
• les ondes de fond qui se propagent à l'intérieur de la Terre et peuvent être enregistrées en plusieurs points du globe. On distingue deux types d’ondes de fond :
  • les ondes de cisaillement (ou ondes S) ;
  • les ondes de compression (ou ondes P).

Seules les ondes de fond nous permettent d’avoir des informations sur les différentes structures profondes du globe. Elles se comportent comme des ondes de lumière et de son : elles peuvent être transmises mais aussi réfléchies et réfractées.

En 1912, le sismologue allemand Gutenberg met en évidence une zone d’ombre sismique à la surface de la Terre. Cette zone d’ombre indique que les ondes sismiques ne se propagent pas de façon continue à l’intérieur du globe mais rencontrent une discontinuité qui provoque leur réfraction. Elle est située à 2900 km de profondeur et correspond au passage d’un milieu solide à un milieu liquide. Appelée discontinuité de Gutenberg, elle délimite le manteau (solide) et le noyau (liquide).

En 1909, André Mohorovicic enregistre le sismogramme d’un séisme dont l’épicentre est situé à quelques dizaines de kilomètres au sud de Zagreb où il se trouve. Il constate alors que certains trains d’ondes P arrivent plus tard (en violet) que les ondes directes (en bleu) et d’autres plus tôt (en rose). Il en déduit qu’elles ont rencontré ou traversé un milieu différent, plus dense : c’est le manteau.

Il y a donc une discontinuité qui correspond à un changement dans la nature des matériaux. Cette autre discontinuité appelée Moho sépare la croûte terrestre (moins dense) du manteau (plus dense).

Le modèle PREM, ou Preliminary Reference Earth Model, développé par Dziewonski et Anderson en 1981, est un modèle sismique radial de vitesse de propagation des ondes de fond (les ondes P et S) en fonction de la profondeur. Les variations de vitesse de propagation des ondes peuvent être expliquées par des changements de milieux, ces derniers ayant des propriétés physico-chimiques différentes. Ainsi, les discontinuités peuvent être identifiées par des sauts de vitesse.

La vitesse des ondes augmente fortement à la jonction croûte-manteau au niveau de la discontinuité de Moho indiquant que le manteau, constitué de péridotite, présente une densité plus forte que la croûte terrestre. La profondeur du Moho varie entre le domaine océanique (7 à 12 km) et continental (35 km en moyenne). Puis on constate une augmentation progressive de la vitesse des ondes P et S dans le manteau, corrélée à une hausse de la densité des matériaux à mesure qu'on s'enfonce vers le centre de la Terre.

La propagation des ondes S stoppe brusquement à la limite entre le manteau et le noyau, au niveau de la discontinuité de Gutenberg. Cela indique que le noyau externe est liquide. Les ondes S se propagent de nouveau dans le noyau interne solide, délimité par la discontinuité de Lehmann.

Les noyaux sont formés de matériaux très denses, majoritairement du fer.

On constate que les ondes de fond ralentissent à une profondeur entre 100 et 200 km, traduisant une baisse de la densité du milieu. Cette zone appelée Low Velocity Zone correspond à l’isotherme 1300 °C où les péridotites deviennent plus plastiques. Elle délimite la lithosphère et l’asthénosphère (comprise dans le manteau supérieur et qui s’étend jusqu’à 670 km de profondeur).