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Géophysique. Antarctique I. Géophysique interne.

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1 Géophysique

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6 Antarctique

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9 I. Géophysique interne

10 1. Etude des ondes sismiques - Structure interne de la Terre

11 Structure interne de la Terre

12 Contraintes fournies par les séismes Le canal SOFAR, SOund Fixing And Ranging, est un guide donde, à 500 à 1000 m de profondeur, qui conduit les ondes hydroacoustiques T sur de très longues distances et permet lenregistrement de séismes de très faible amplitude.

13 Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Les ondes mécaniques requièrent un milieu de propagation tandis que les ondes électromagnétiques peuvent se propager dans le vide. Parmi les ondes sismiques, on distingue plusieurs catégories d'ondes dont les ondes P et les ondes S. Les ondes P sont des ondes longitudinales; les particules du milieu de propagation se déplacent localement, autour de leur position initiale, selon la direction de propagation de londe. Les ondes S sont des ondes transversales; les points du milieu de propagation se déplacent localement, autour de leur position initiale, perpendiculairement à la direction de propagation de londe. Les ondes P et les ondes S

14 Ondes de surface Ondes de volume

15 Ondes sismiques P et S

16 Modules délasticité et = Module de rigidité (de cisaillement) Module dincompressibilité K P = K / = K – 2/3 Fluide = 0 V s = 0

17 Les lois de Snell-Descartes v1v1 v2v2

18 La réflexion totale v2v2 v 1

19 Excitation dune onde S par une onde P Le front d'onde est la surface d'isopression ou isodéplacement. On définit le rai sismique (ou la direction de propagation de l'onde) comme la perpendiculaire au front d'onde. Lorsque l'onde arrive sur l'interface, du fait de l'inclinaison du rayon incident, les points A et B ne reçoivent pas la même contrainte (la phase de loscillation est différente en A et en B) à un instant donné. La surface ne se déplace donc pas de la même quantité en A et en B. Ce mouvement différentiel ne se produit pas selon la direction de propagation de londe P et est source d'une onde S qui se propage dans le solide. Ainsi, une onde P incidente excite une onde P et une onde S au passage de l'interface.

20 Trajectoire, temps darrivée et vitesse des ondes sismiques Loi de Snellius Descartes : r sini/V(r) = p = cst. t - temps de détection en S - angle au centre FS R – rayon de la Terre i - inclinaison par rapport à la normale V - vitesse V(r min ): vitesse à la profondeur maximum dt/d = p = R sini/V(R) = r min / V(r min )

21 V V r0r0 Dans la sphère de rayon r 0, on suppose V = V(r 0 ) = Vmax On sattend à surestimer t : (si V continue à augmenter) Prédiction de lexistence dun noyau fluide noyau fluide =0 t prédit > t observé graine « solide » (~ sable) t prédit < t observé Dans la sphère de rayon r 0, V < V(r 0 ) = Vmax Gutenberg trouve au contraire: Expérience de B. Gutenberg (1912) Interprétation comme noyau liquide : H. Jeffreys (1926) + Amande, cristal anisotrope ?

22 V km/s Profondeur km Vitesse des ondes P et S

23 LVZ : low velocity zone

24 Asthénosphère

25 P onde P dans le manteau S onde S dans le manteau K onde P dans le noyau externe I onde P dans le noyau interne J onde S dans le noyau interne c réflexion sur l'interface manteau-noyau externe i réflexion sur l'interface noyau externe- noyau interne p réflexion des ondes P à la surface du globe, à proximité du séisme s réflexion des ondes S à la surface du globe, à proximité du séisme

26 Nomenclature des ondes P et S Pp P PKP PKIKP PKIKPPKIKPS Sp Séisme PK I K P K P P I K

27 Ondes P Ondes S ombre

28 Zone dombre Les zones dombres permettent de localiser avec précision les discontinuités de Gutenberg et Lehman

29 V km/s Profondeur km Léquation dAdams - Williamson Hypothèse : - corps barotrope, P = P( ), - zone de composition chimique constante Equation à résoudre sur chaque zone de composition chimique donnée + traitement des discontinuités sur base dautres contraintes

30 Profil de densité

31 Oscillations libres de la Terre

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33 Structure interne de la Terre

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35 Expériences statiques de compression T P Structure cristalline

36 Expériences statiques de compression

37 Le noyau doit être enrichi en Fe Beaucoup moins de Fe

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39 Aspects énergétiques Sources dénergie - Radioactivité : Thorium, Uranium, Potassium Important uniquement dans les couches superficielles - Libération dénergie potentielle gravifique Important gradient de température dans la croute Voir convection chimique Transport dénergie - Conduction (faible car roches = mauvais conducteurs de chaleur) - Rayonnement (faible car roches très opaques) - ConvectionConvection thermique dans le manteau Dérive des continents Convection chimique dans le noyau liquideMagnétisme

40 Aspects énergétiques Transport dénergie Convection chimique dans le noyau liquide Fe 100% FeS 0% Fe 0% FeS 100% 1)Noyau entièrement liquide 2) Solidification de Fe il précipite alimente la convection chimique 3) Proportion Fe-FeS eutectiqueFe et FeS précipitent ensembles 4) Refroidisssement du noyau solide 1) 2) 3) 4)

41 Aspects énergétiques Profil de température Important gradient de température dans la croute Température de la lave Température requise pour changement de phase Température requise pour passage à létat liquide Température requise pour passage à létat solide

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43 Fe liquide Fe solide Un pluton est le résultat de la cristallisation de magma injecté dans un environnement rocheux.

44 I. Géophysique interne 2. Le champ magnétique de la Terre

45 Le champ magnétique de la Terre

46 déclinaison : angle entre NS mag et NS géo inclinaison : angle entre le plan horizontal et la tangente à la ligne de champ

47 Courbes diso-déclinaison

48 La dynamo auto-excitée 2 dynamos couplées

49 Conditions 1. Champ magnétique initial 2. Fluide conducteur 3. Rotation 4. Mouvements convectifs Milieu conducteur Noyau Fe Rotation de la Terre Convection chimique

50 Simulation numérique de la dynamo

51 Londres Toronto Variation séculaire du champ magnétique terrestre

52 Au dessus du point de Curie, ~ 500K, un matériau ferromagnétique perd son aimantation et devient paramagnétique. Si le refroidissement a lieu en présence dun champ magnétique, le matériau saimante dans la direction de ce champ magnétique ambiant. Magnétisme thermorémanent Des roches ferromagnétiques échauffées et puis refroidies sous le point de Curie peuvent ainsi se souvenir du champ magnétique terrestre règnant à lépoque de leur dernier refroidissement.

53 Volcans Inversions du champ magnétique

54 Inversions du champ magnétique Il y a 15 millions dannées Les points sont séparés de 500 ans et la durée totale est de ans

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56 Simulation dune inversion du champ magnétique Un matériau ferromagnétique saimante sous laction dun champ magnétique et garde son aimantation après la disparition du champ. Ces matériaux ne subissent pas de désaimantation. Un matériau paramagnétique saimante sous laction dun champ magnétique ambiant. Au dessus du point de Curie, un matériau ferromagnétique perd son aimantation et devient paramagnétique. Il peut conserver alors un champ magnétique faible après disparition du champ daimantation. Cest le phénomène daimantation thermorémanente. Le diamagnétisme est la propriété de certains matériaux, surtout les supraconducteurs, de produire une aimantation induite lorsquils sont soumis à un champ magnétique et ainsi de sopposer à ce champ magnétique.

57 Fonds océaniques Anomalies magnétiques

58 Fonds océaniques

59 Déplacement des pôles magnétiques Des roches présentant une inclinaison nulle sont situées à léquateur magnétique de lépoque du dernier refroidissement E - Eocène 50 Ma J - Jurassique 175 Ma T - Triassique 225 Ma P - Permien 260 Ma Ca - Carbonifère 320 Ma S - Silurien 420 Ma Cb - Cambrien 530 Ma


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