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1ERE SPE-SVT THEME 1B ACTIVITE 3
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THEME 1: La Terre, la vie et l'évolution du vivant
THEME 1B: La dynamique interne de la Terre
Chapitre 1: La structure interne du globe terrestre
ACTIVITE 3 : Apport des études sismologiques à la connaissance des enveloppes profondes du globe terrestre
PARTIE 1: Mise en évidence de la discontinuité de Gutenberg (1912)
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).
PARTIE 1
Mise en évidence de la discontinuité de Gutenberg (1912)
Doc 1: Observations, la zone d'ombre sismique
Doc 1: observations, la zone d'ombre sismique
Doc 2: Interprétation schématique de la zone d'ombre sismique
Doc 2: Interprétation schématique de la zone d'ombre sismique
Doc 3: Un modèle analogique simple pour comprendre la zone d'ombre sismique
Dispositif de la vidéo:
- un pointeur laser dont on peut modifier l'angle d'incidence du rayon lorsqu'il rentre dans le grand cristallisoir
- un grand cristallisoir contenant de l'eau non colorée et peu dense (milieu 1 à fort indice de réfraction n1)
- un petit cristallisoir contenant de l'eau colorée plus dense (milieu 2 à faible indice de réfraction n2)
Doc 3:
Modélisation analogique
PARTIE 3: Mise en évidence de la LVZ au sein du manteau
DOC 1: La zone de faible vitesse des ondes sismiques
DOC 2: Une modélisation de la propagation des ondes sismiques à différentes températures
L'analyse des variations de vitesse des ondes sismiques montre un net ralentissement des ondes P dans le manteau supérieur, au niveau d'une couche appelée pour cette raison LVZ ( Low Velocity Zone ou zone de faible vitesse).
PARTIE 3
Mise en évidence de la LVZ au sein du manteau
Principe : on utilise une barre de pâte à modeler à différentes températures (mesurées avec un thermomètre, sur laquelle sont placés deux capteurs piézométriques.
Suite à un choc sur le côté latéral de la barre, on mesure le temps de passage des ondes au niveau de chaque capteur afin d'en déterminer la vitesse. Il est alors possible de déterminer une relation entre température, comportement physique de la pâte à modeler et vitesse de propagation des ondes
A la pression atmosphérique , la pâte à modeler est rigide entre -5°C et 10°C. Elle devient molle et ductile à 20°C.
PARTIE 4: Le modèle "PREM" un modèle sismique de la "Terre"
PARTIE 4
Le modèle "PREM" un modèle sismique de la "Terre"
DOC 1: le modèle PREM
DOC 1
PREM (Preliminary Reference Earth Model) est un modèle sismique radial de vitesse de propagation des ondes S et P depuis la surface jusqu'au centre de la Terre d'après Dziewonski et Anderson (1981).
Les sauts brusques de vitesse sur le trajet d’une onde sismique sont interprétés comme des discontinuités limitant des enveloppes concentriques. L'analyse sismologique permet d'élaborer un des modèles les plus connus de structure radiale de la Terre dans lequel les variations de densité, de pression, et de vitesses sismiques sont représentées en fonction du rayon terrestre. Cependant, ce modèle ne permet pas de déterminer si les chutes de vitesse sont dues à une élévation locale de température ou à une hétérogénéité chimique, qui peuvent toutes les deux induire localement une zone de moindre rigidité qui ralentit ainsi le train d'onde.
De l'extérieur vers l'intérieur, les géophysiciens recensent ainsi dans le cadre du modèle PREM à symétrie sphérique:
- la croûte terrestre,
- le manteau,
- le noyau externe
- et le noyau interne.
DOC 2: concept de lithosphère et d'asthénosphère
Dans le manteau supérieur, une LVZ (Low Velocity Zone, zone de faible vitesse) permet de définir:
- la lithosphère (de la surface de la Terre à la LVZ): enveloppe rigide et cassante
- l'asthénosphère (de la LVZ jusqu'à -700 km)
L'asthénosphère (du grec signifiant "asthénes", sans résistance) est la partie ductile du manteau supérieur terrestre. Elle s'étend de la lithosphère jusqu'au manteau inférieur sur 700 kilomètres. Les plaques lithosphériques reposent sur l'asthénosphère formée de roche solide mais moins rigide et déformable.
Ce concept apparaît à la fin des années 1960 avec la révolution de la tectonique des plaques. La profondeur de l'asthénosphère dépend donc directement de l'épaisseur de la lithosphère. Cette dernière varie entre environ 100 km sous les océans (quelques kilomètres au niveau des rifts océaniques) et environ 170 km sous les continents. Sur un schéma, on prendra une profondeur de 100km.
La distinction entre ces deux régions (lithosphère/asthénosphère) se fait sur des critères de comportement mécanique (rhéologique) des roches : rigides et cassantes dans la lithosphère / ductiles dans l'asthénosphère. La partie supérieure de l'asthénosphère est appelée zone à faible vitesse (souvent abrégée LVZ d'après l'anglais Low Velocity Zone).
Le manteau terrestre composé de péridotites est donc scindé en:
manteau supérieur (celui de la lithosphère et de l'asthénosphère): du Moho jusqu'à -700 km
manteau inférieur (de -700 km à la discontinuité de Gutenberg).
DOC 2
PARTIE 2: Mise en évidence de la discontinuité de Lehmann (1936)
Inge Lehmann
PARTIE 2
Mise en évidence de la discontinuité de Lehmann
(1936)
Dans les années 1920, l’idée d’un noyau totalement liquide prévalait. En effet, s’appuyant sur le fait que les ondes S ne se propagent pas dans les liquides (données expérimentales), Gutenberg avait suggéré en 1923 l’existence d’une discontinuité entre un manteau solide et un noyau liquide, idée confirmée par Jeffreys, en 1926. Cette discontinuité était ainsi située à 2900 kilomètres de profondeur.
Seulement, Inge Lehmann (1888-1993), sismologue et géodésienne danoise,a déterminé en 1936,l'existence d'une nouvelle discontinuité au sein même du noyau terrestre. Celui-ci serait séparé en deux parties: le noyau externe, considéré comme « liquide » et un noyau interne ou graine, considéré comme solide.
Comment a-t-elle trouvé cette nouvelle discontinuité ?
Au cours de ses travaux qu’elle effectue en Nouvelle-Zélande à partir de 1929, elle note que certaines stations enregistrent des ondes P , alors qu’il ne devrait pas y en avoir ; la zone d’ombre située entre 105 et 142° et interprétée par Gutenberg n’est donc pas « entièrement vide », et les ondes P qu’on y rencontre devaient être des ondes diffractées. Elle arrive donc à l’idée qu’il existe une discontinuité au sein du noyau, séparant un noyau externe liquide d’un noyau plus interne et solide. Elle situe cette discontinuité vers 5 100 kilomètres de profondeur.
C’est en 1936 qu’elle publie ses résultats, étayés par les données enregistrées mais surtout par une démonstration et des calculs (effectués sans ordinateur !). Les dimensions de la graine (noyau interne solide)seront précisées par Gutenberg en 1938 et Jeffreys en 1939, entre 1200 et 1250 kilomètres.
L’ensemble de ces résultats seront confirmés dans les années 1970, et la discontinuité de Lehmann est aujourd’hui fixée à 5100 kilomètres de profondeur.