Damien LE BELLOUR, Hermine TERSONNIER

PROCESSUS NATURELS

Question:           Comment mesure-t-on la pesanteur ?

Question:           Quelles sont les caractéristiques des différentes couches de la Terre ainsi que celles de leurs interfaces?

Mot clef :            zone d’ombre ou de silence sismique

Zone d’ombre :

I.                  La présence d’une zone d’ombre (ou de silence)

La présence d’une zone d’ombre (ou de silence) dans la réception des ondes sismique entre 105° et 142° à partir d’un séisme donné est une des caractéristiques majeures de la planète.

Coupe du globe terrestre montrant la position de la zone d'ombre

Elle traduit la présence, en profondeur, d’une zone à faible vitesse dans laquelle le rebroussement des ondes réfractées est retardé (voir ondes sismiques) et leur réémergence éloigné du point source.

La réfraction est un phénomène observable lorsqu’une onde traverse une discontinuité entre deux milieux. La réfraction la plus connue est celle de la lumière, avec une caractérisation des milieux grâce à un indice de réfraction, souvent noté n :

 descartes.jpg

Schéma de la réfraction d'un rayon lumineux                                   Réfraction des ondes sismique en fonction de la vitesse du milieu

II.              Une zone profonde à faible vitesse : le noyau

A l’échelle de la Terre, la LVZ (asthénosphère) n’induit pas de zone d’ombre significative, en raison du faible abaissement de l’impédance acoustique de cette zone.

Par contre Le noyau externe, liquide, conduit à un abaissement important des vitesses des ondes P, voir modèle PREM.

Rappelons que les ondes de cisaillement ne traversent pas les liquides, donc les ondes  S ne sont pas transmises par le noyau. Rappelons aussi que sur chaque interface entre milieux d’impédance différentes, chaque front d’onde arrivant en un point se comporte comme une source, et donne naissance à deux ondes, une de compression et une de cisaillement, toutes deux polarisées dans le « plan » de l’interface : une onde P donne naissance à deux ondes polarisées P et S, et une onde S donne aussi naissance à deux ondes polarisées S et P. Ainsi, une onde S dans le manteau ne traversera pas le liquide du noyau, mais donnera sur la discontinuité de Gutemberg une onde PS qui elle le traversera… donnant lors de la traversée de la discontinuité de Lehmann deux ondes PPS et SPS dans la graine… etc.

http://umet.univ-lille1.fr/Mineraux/montrer-image.php?lang=en&img=/Mineraux/Ressources/PREM.jpg&legend=The%20PREM%20model%20and%20the%20Earth%20internal%20structure:%20seismic%20velocities%20and%20density%20vs.%20depth%20%28in%20French%29%20%C2%A9%20J.%20Amodeo

Simplifions et prenons le cas des ondes P, qui seront seulement ralenties dans le noyau (externe)

·         En a) on suit des rais simiques d’ondes P de plus en plus profonds, qui émergent après rebroussement en ondes P en des points de plus en plus éloignés de la source F (violet, marron, jaune). Au point d’émergence situé à la distance angulaire de la source  = 105°, correspond le rai incident le plus profond possible traversant le manteau directement (orange) rebroussé exactement sur la discontinuité de Gutemberg (c). Il est donc aussi réfracté par celle-ci dans le noyau. La vitesse des ondes dans le noyau étant faible, ce rai réfracté est transmis dans le noyau (K) sous un angle très fort. Il est ensuite à nouveau réfracté par la discontinuité de Gutemberg en sortant du noyau (rai PKP) et il émerge à la distance angulaire de la source = 183°.

a)

·         En b) le rayon ver-olive provenant de F avec une incidence encore un peu plus profonde que le rai orange subit, sur la discontinuité de Gutemberg (c), d’une part une réflexion qui émerge en PcP (les réflexions sont notées en minuscule), et d’autre part une réfraction (rai PKP transmis dans le noyau K, noté en majuscule) qui émergun angle inférieur à 183°.

b)

·         En c) les rais verts (clair et foncé) subissent le même sort, rai PcP et rai PKP, les rai réfléchis PcP émergent d’autant plus proche de la source que le rai incident est plus profond (angle entre le rai et le rayon terrestre de plus en plus petit), et les rais transmis dans le noyaux émergent eux aussi à une distance angulaire du point source de plus en plus faible, jusqu’au rai émergent à 142° (vert foncé).

c)

·         En d) avec des rais incidents encore plus proche de la verticale en F,  le trajet devient tel que l’émergence de rai PKP ne se fait plus à distance angulaire décroissante, mais au contraire à nouveau à distance angulaire croissante, jusqu’à ce qu’un de ces rais vienne « tangenter » la graine.

d)

·         En e) les rais incidents encore plus voisins de la verticale vont traverser la graine. Celle-ci est solide, les vitesses des ondes y sont supérieures à celles du noyau et donc ce contraste « normal » d’impédance se traduit par un rai sismique de plus en plus proche du diamètre terrestre, c’est le cas théorique d’un rai qui serait exactement vertical au point source, pour une Terre sphérique constituée de couches homogènes.

e)

Voir cours-2012-2013-seismologie.ppsx

L’arc de cercle situé entre 105 et 142° de la source ne peut donc recevoir d’ondes directes, on l’appelle zone d’ombre. Aucune station n'enregistre d'ondes sismiques directes provenant d'un séisme dans cette zone, qui peut néanmoins recevoir d’autres ondes sismiques, comme les ondes coniques (réfractées sous incidence critique) sur les différentes discontinuités