Géophysique

Antarctique

I. Géophysique interne

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

Structure interne de la Terre

Contraintes fournies par les séismes Le Canal SOFAR correspond à la profondeur où la vitesse du son est minimale. Le canal SOFAR, SOund Fixing And Ranging, est un guide d’onde, à 500 à 1000 m de profondeur, qui conduit les ondes hydroacoustiques T sur de très longues distances et permet l’enregistrement de séismes de très faible amplitude.

Les ondes P et les ondes S 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 l’onde. 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 l’onde.

Ondes de surface Ondes de volume

Ondes sismiques P et S Birkeland & Larson 1989. Putmam’s Geology

Modules d’élasticité  et     =  Module de rigidité (de cisaillement)  Module d’incompressibilité K P = K /  = K – 2/3  Fluide   = 0  Vs = 0

Les lois de Snell-Descartes v1 v2

La réflexion totale v1<v2 v2

Excitation d’une 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 l’oscillation 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 l’onde 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.

Trajectoire, temps d’arrivée et vitesse des ondes sismiques t - temps de détection en S  - angle au centre FS R – rayon de la Terre i - inclinaison par rapport à la normale V - vitesse Trajectoire, temps d’arrivée et vitesse des ondes sismiques Loi de Snellius Descartes : r sini/V(r) = p = cst. dt/dD = p = R sini/V(R) = rmin / V(rmin) V(rmin): vitesse à la profondeur maximum http://junon.u-3mrs.fr/ms01w004/web-edu-sismo/sism-ecole.html

Prédiction de l’existence d’un noyau fluide Dans la sphère de rayon r0, on suppose V = V(r0) = Vmax On s’attend à surestimer t : (si V continue à augmenter) V tprédit > tobservé + Amande, cristal anisotrope ? r0 V noyau fluide =0 tprédit < tobservé Dans la sphère de rayon r0, V < V(r0) = Vmax Gutenberg trouve au contraire: graine « solide » (~ sable) Expérience de B. Gutenberg (1912) Interprétation comme noyau liquide : H. Jeffreys (1926)

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

Vitesse des ondes P et S LVZ : low velocity zone

Asthénosphère

P S K I J c i p s onde S dans le manteau onde P dans le noyau externe 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

Nomenclature des ondes P et S Pp P PKP PKIKP PKIKPPKIKP S Sp Séisme P K I P K P K I K P

Ondes P ombre ombre Ondes S ombre

Zone d’ombre Les zones d’ombres permettent de localiser avec précision les discontinuités de Gutenberg et Lehman

L’équation d’Adams - Williamson V km/s Profondeur km L’équation d’Adams - Williamson Hypothèse : - corps barotrope, P = P(r), - zone de composition chimique constante Equation à résoudre sur chaque zone de composition chimique donnée + traitement des discontinuités sur base d’autres contraintes

Profil de densité La discontinuité de densité entre le manteau et le noyau résulte du changement d’état solide – liquide et de composition chimique. Pour la quantifier, il faut s’appuyer sur des mesures en laboratoires et d’autres types de phénomènes observables tels que les oscillations libres.

Oscillations libres de la Terre

Oscillations libres de la Terre

Structure interne de la Terre

Expériences statiques de compression Structure cristalline

Expériences statiques de compression

Beaucoup moins de Fe Le noyau doit être enrichi en Fe

Aspects énergétiques Sources d’énergie Transport d’énergie Important gradient de température dans la croute Sources d’énergie - Radioactivité : Thorium, Uranium, Potassium Important uniquement dans les couches superficielles - Libération d’énergie potentielle gravifique Voir convection chimique Transport d’énergie Conduction (faible car roches = mauvais conducteurs de chaleur) Rayonnement (faible car roches très opaques) Convection Convection thermique dans le manteau Dérive des continents Quelques repères : L’énergie produite par une couche de 20 km composée de roches ayant une proportion d’éléments radioactifs naturels typiques des valeurs observées suffit à expliquer le flux observé en provenance des régions profondes Le flux en provenance du soleil est ~ 5000 fois plus élevé que celui en provenance du coeur Les roches sont un mauvais conducteur de chaleur. Si on chauffe d’un côté Une plaque de roche de 400 km d’épaisseur, il faut attendre 5 milliards d’années pour que la chaleur soit transmise de l’autre côté. L’inertie thermique des mines, … l’atteste. Il faut un autre moyen de transport de l’énergie pour rendre compte des flux mesurés -> la convection thermique Convection chimique dans le noyau liquide Magnétisme

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

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

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

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

Le champ magnétique de la Terre

déclinaison : angle entre NSmag et NSgéo Noter que la distribution des courbes d’iso-déclinaison et d’iso-intensité ne suivent pas exactement la forme correspondant à un dipôle déclinaison : angle entre NSmag et NSgéo inclinaison : angle entre le plan horizontal et la tangente à la ligne de champ

Courbes d’iso-déclinaison

La dynamo auto-excitée 2 dynamos couplées

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

Simulation numérique de la dynamo

Variation séculaire du champ magnétique terrestre Toronto Londres Les variations séculaires correspondent à des variations du champs magnétique moyen. Elles varient d’un point à l’autre. Leur origine n’est pas bien comprise et ne peut qu’être associée à des variations des mouvements convectifs dans le noyau. Sur cela se greffent de plus faibles variations associées à la présence de turbulence entre noyau liquide et manteau créant de petits dipôles locaux.

Magnétisme thermorémanent Au dessus du point de Curie, ~ 500K, un matériau ferromagnétique perd son aimantation et devient paramagnétique. Si le refroidissement a lieu en présence d’un champ magnétique, le matériau s’aimante dans la direction de ce champ magnétique ambiant. Découverte : lieu habité par des aborigènes il y a 30 000 ans. A l’endroit où se trouvait le feu -> orientation particulière du champs correspondant à cette époque. Des roches ferromagnétiques échauffées et puis refroidies sous le point de Curie peuvent ainsi se souvenir du champ magnétique terrestre règnant à l’époque de leur dernier refroidissement.

Inversions du champ magnétique Volcans Inversions = phénomène chaotique non périodique Intervalle typique de quelques centaines de milliers d’années. On retrouve la même succession de couches d’inversion en différents sites volcaniques de la terre -> Chaque couche correspond à une période donnée et son âge peut être estimé.

Inversions du champ magnétique Il y a 15 millions d’années L’inversion du champs est très rapide (quelques milliers d’années). Pendant ce laps de temps, le pôle magnétique suit un chemin erratique à travers le globe. L’intensité du champs est beaucoup plus faible durant cette période. Il se pourraît donc que ces inversions correspondent à des arrêts temporaires de la dynamo auto-excitée. Il y a 15 millions d’années Les points sont séparés de 500 ans et la durée totale est de 15 000 ans

Simulation d’une inversion du champ magnétique Un matériau ferromagnétique s’aimante sous l’action d’un champ magnétique et garde son aimantation après la disparition du champ. Ces matériaux ne subissent pas de désaimantation. Un matériau paramagnétique s’aimante sous l’action d’un 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 d’aimantation. C’est le phénomène d’aimantation thermorémanente. Le diamagnétisme est la propriété de certains matériaux, surtout les supraconducteurs, de produire une aimantation induite lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique et ainsi de s’opposer à ce champ magnétique.

Anomalies magnétiques Fonds océaniques

Anomalies magnétiques Fonds océaniques

Déplacement des pôles magnétiques 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 Une fois qu’on soustrait l’effet de ces inversion, on peut mettre en évidence un déplacement global des pôles magnétiques. En considérant l’orientation des lignes de champs en différents lieux pour des roches de même âge, on en déduit où se trouve le pôle magnétique à l’époque considérée. On trouve différentes trajectoires selon le continent considéré Or le champs magnétique moyen devrait avoir la structure globale d’un dipole C’est un élément important en faveur de la théorie de la dérive des continents. Si on ramène les continents à l’orientation qu’ils avaient à l’époque considérée, les pôles coincident. Des roches présentant une inclinaison nulle sont situées à l’équateur magnétique de l’époque du dernier refroidissement