Images données par la sismologie, Le noyau terrestre: Images données par la sismologie, Relations avec la dynamique terrestre Annie Souriau CNRS, Dynamique Terrestre et Planétaire Observatoire Midi-Pyrénées, Toulouse, France ______________ EOST Strasbourg, 17 février 2009

Anisotropie de vitesse Anisotropie d’atténuation Plan:  Les outils de la sismologie  L’anisotropie de la graine Anisotropie de vitesse Anisotropie d’atténuation  La texture de la partie externe de la graine  Quelles interprétations possibles?  La rotation de la graine Observations Difficultés  Perspectives

Les outils de la sismologie: Les ondes de volume  Temps de propagation absolus et relatifs Amplitudes Formes d’ondes Attention!  Pas d’onde S dans les liquides  un rai géométrique est une approximation à fréquence infinie Shearer, 1999 Onde à T=2s D=150° Calvet, 2002

◎ Intérêt des temps différentiels PKPbc = phase de référence AB DF BC =PKIKP Garcia et al., 2006

Les vibrations propres de la terre: Modes toroidaux Modes sphéroidaux Les vibrations propres de la terre: périodes de résonance  modèle moyen de vitesses et d’atténuation accès à la vitesse des ondes S et à la densité sensibilité nulle au centre de la terre Manteau Noyau liquide VP VS densité Noyau interne Laske 2006

Autres outils pour l’étude du noyau:  La dynamique terrestre (rotation de la Terre) Densités, forme (anomalie d’ellipticité), état solide/fluide, viscosité  Le champ magnétique (convection d’un liquide à forte conductibilité électrique→ effet dynamo) - Observations: Mouvement des fluides sous la discontinuité noyau-manteau - Modélisation analogique et numérique Champ radial moyen en 1990 (Satellites Oersted + Magsat) Contours tous les 100 microteslas Hulot et al., 2002 La physique des matériaux • Expériences à hautes T, hautes P (cellules à enclumes de diamant) • Modèles atomistiques (dynamique moléculaire)

Vibrations propres + ondes de volume PREM (Dziewonski and Anderson, 1981) Vibrations propres + ondes de volume Surface: 6371 km  Croûte et manteau - Saut de densité (>0) à la CMB - Saut de Vp (<0) à la CMB - Faible contraste Vs/Vp à la CMB - Contraste densité à l’ ICB - Faible saut de Vp (>0) à l’ICB - Profil Vs dans IC mal contraint densité CMB: 3480 km  Couche D" densité Noyau liquide ICB: 1220 km  Noyau interne, ou graine Centre de la terre 0 km

Energie disponible pour la géodynamo R (km) T (°K) P (Gpa) g (m/s2) 9.81 6371 300 Manteau supérieur Silicates de Fe, Mg Manteau inférieur Couche D 3480 3500 -3700 140 10.7 Fe + éléments légers (S, O, …) Noyau liquide 4.2 1220 4000 - 6000 330 Fer quasi-pur Noyau interne (graine) 5000 - 8000 360 Energie disponible pour la géodynamo  Cristallisation  chaleur latente  Eléments légers  énergie gravitationnelle

Le noyau liquide CMB Novaya Zemlya 19730912 D=68.9° to Jamestown (CA) P7KP: u~10-9m P4KP P7KP  Confirme l’absence de forte topographie de la surface du noyau Prouve l’homogénéité latérale du noyau liquide Prouve l’absence de forte atténuation dans le noyau liquide  La convection dans le noyau liquide est responsable du champ magnétique Bolt, 1982

Le noyau liquide Deux questions: Y a-t-il une stratification? Ecart à la stratification neutre non Couche sous la CMB (éléments légers) non? ou au dessus de l’ICB oui Y a-t-il une structure? Structure ou anisotropie liée à la rotation non

La graine: une structure anisotrope 1- Mise en évidence par les ondes de volume Axe lent 1210 s Axe rapide 1204 s // axe de rotation axe rapide lent Anomalie de vitesse % Angle du rai par rapport au plan équatorial (degrés) Anisotropie à symétrie cylindrique 3% d’anisotropie dans la graine Song and Helmberger, 1993

2- Mise en évidence par les vibrations propres • 13S2 ___ observé ---- prédit sans anisotropie VP VS densité "splitting function du mode 13S2 Woodhouse et al., 1986

Explications possibles: Orientation préférentielle de cristaux anisotropes (Fe e ?) (Stixrude and Brown, 1998) 0rientation préférentielle d’inclusions fluides elliptiques (Singh et al., 2000) Distribution de petits objets diffractants anisotropes (Cormier and Li, 2002) Mécanismes: Convection dans la graine (Jeanloz & Wenk, 1988; Weber & Machetel, 1992) Orientation par le champ magnétique (Karato, 1993, 1999) Acquisition de l’anisotropie pendant la solidification (Bergman, 1997) Croissance anisotrope (Yoshida et al., 1996) Axe lent 1210 s Axe rapide 1204 s

Diagramme de phase du fer g-fcc e-hcp b-dhcp (double-layer hcp) Saxena et al., 1995; Saxena and Dubrovinsky, 1998, Andrault et al., 1997, 2000

Variations de l’anisotropie avec la profondeur La partie supérieure de la graine est une couche isotrope Souriau et al, 2002 Song and Helmberger, 1995 Su and Dziewonski, 1995

La partie centrale: une graine dans la graine? 1- ondes PKP pol eq Anomalie de temps de propagation Angle du rai sismique par rapport à l’axe de rotation de la terre Rais profonds intermédiaires 3 modèles qui expliquent également bien les données 2% 4% ~0% -2% Ishii et Dziewonski 2003, Calvet et al., 2005 Autre forme d’anisotropie? Ou autre orientation de la même forme de fer?

a (P) g b(S) La partie centrale 2- Résultats à partir des modes normaux a (P) g b(S) Model of progressively tilted hcp P: fast axis // ERA P: fast axis // equatorial plane S: moves faster along ERA than along eq. plane Anisotropy  hcp Beghein and Trampert, 2003

Variation avec la longitude La couche isotrope n’a pas la même épaisseur sous les deux hémisphères Désorientation progressive des cristaux dans l’hémisphère Est  La couche isotrope fait 400 km d’épaisseur fait 100 km W E a b c W E E W E W Tanaka and Hamaguchi, 1997; Creager, 2000; Garcia & Souriau, 2000, Garcia, 2002

Des observations similaires pour l’atténuation: 1- Anisotropie d’atténuation T=3s polaire équatorial Les ondes des trajets polaires sont plus rapides, mais aussi plus atténuées, que celles des trajets équatoriaux  Corrélation contraire à celle observée dans le manteau  Les rapports d’amplitude DF/BC varient d’un ordre de grandeur (Souriau et Romanowicz, 1996)

Influence de la fréquence sur l’ anisotropie d’atténuation Equatorial path ( = 73°) Polar path ( = 23°) DF*10 Atténuation des hautes fréquences extrêmement forte pour les trajets polaires Dispersion associée: Les hautes fréquences arrivent avant les basses fréquences 2 mécanismes pour expliquer l’apparente anisotropie d’atténuation: 1- visco-élasticité (dissipation d’énergie mécanique en chaleur) 2- Effet de texture (diffraction / diffusion) Souriau, 2009

2- une dissymétrie hémisphérique est aussi observée pour l’atténuation entre 30 et 85 km sous la surface de la graine c d E W rapide atténuant Temps PKiKP-PKIKP Hémisphère Est plus rapide et plus atténuant que l’hémisphère ouest Corrélation contraire à celle observée dans le manteau Facteur de qualité Cao et Romanowicz, 2004

Présence d’objets diffractants à l’ICB (mush) Quelle structure et quels mécanismes à l’ICB = comment la graine croit-elle? Présence d’objets diffractants à l’ICB (mush) Coda de l’onde réfléchie à La surface de la graine ( 2 endroits différents, même distance) Stein and Wysession, 2005; Vidale and Earle, 2000; Poupinet and Kennett, 2004

Dissymétrie hémisphérique Anisotropie: __ 100 km  400 km Rotation axis Dissymétrie hémisphérique Hémisphère Est (partie supérieure): couche isotrope plus épaisse (ou désorientation des cristaux), plus rapide, plus atténuante, + Objets diffractants Anisotropie: propag. rapide forte atténuation pour rais // axe rotation

 1- Expliquer l’anisotropie de vitesse et d’atténuation • Texture ou distribution d’objets diffractants (scatterers) Modélisation numérique (Cormier et Li, 2002; Cormier, 2007; Calvet et Margerin, 2008; …)  Formation de dendrites dans la direction du flux de chaleur (Bergman, 1997) Croissance équatoriale de la graine (Yoshida et al., 1996)

2- Expliquer la dissymétrie hémisphérique W Convection thermique avec une hétérogénéité thermique à la CMB Modélisation analogique (Sumita et Olson, 1999) A droite: flux de poussée moyen à la surface de la graine (s’il est fort, la graine doit cristalliser plus vite). Modèle de convection thermochimique avec dynamo, forcé par un flux de chaleurhétérogène à la CMB qui suit le modèle tomo de Masters et al., 2000. Anomalie de flux (vitesse de cristallisation) à l’ICB. Modèle numérique de convection thermo-chimique forçé par un flux de chaleur hétérogène à la CMB. (Aubert et al., 2008)

Texture attendue à la surface de la graine Flow ICB Flow Cormier, 2007

Tester la texture à la surface de la graine Résultats très complexes Choisir au départ une forme d’onde très simple Même séisme, trajets pour l’onde réfléchie Séisme profond (Tonga) Trajet antipodal équatorial KEV DAG FDF ARU Résultats très complexes (travail en cours)

Recherche d’une rotation différentielle de la graine Motivation: une super-rotation est prédite par la plupart des modèles de géodynamo Rotation plus rapide que le manteau Rotation plus lente Noyau liquide Aurnou et al., 1996; Glatzmaier and Roberts, 1995, 1996

Méthode: Détecter dans la graine une ou des hétérogénéités qui se déplacent avec le temps - Une hétérogénéité qui défile sous le trajet de rai inchangé au cours du temps Un objet diffractant qui fait changer la figure de diffraction (modification de la coda) L’ensemble des hétérogénéités de la graine vues par les vibrations propres séisme station Difficultés: Il est préférable d’avoir des trajets polaires il est difficile d’avoir des gros séismes reproductibles sur de longs intervalles de temps les vieilles données sont souvent de qualité médiocre (données analogiques, mesure du temps médiocre)

Song et Richards, 1996; Creager, 1997; Souriau, 1998 COL DRV NZ SSI Trajet Iles Sandwich Sud  Alaska Trajet compliqué (2 zones de subduction)Vieilles Données anciennes peu fiables Localisation des foyers douteuse Résultats: = 1.1 °/an plus rapide = 0.05 °/an si l’influence de la zone de subduction est corrigée Trajet Nouvelle-Zemble  Antarctique Pas de zone de subduction Seulement 2 sites pour les explosions Résultats:  ~ 0.0 °/an Song et Richards, 1996; Creager, 1997; Souriau, 1998

South Sandwich Island to Alaska Séparer les effets de la rotation de ceux d’une mauvaise localisation: utilisation des doublets (Poupinet et al., 2000) ◎ =PKIKP Erreur de localisation: dilatation de tout l’enregistrement (1) Rotation: perturbation de la seule phase DF (2) South Sandwich Island to Alaska (Zhang et al., 2006)

Chile-Agentina to PSI, Sumatera BC AB DF pDF,BC,AB Chile-Agentina to PSI, Sumatera

Changement du temps d’arrivée (s) Changement au cours du temps de l’image produite par des objets diffractants 1- Identifier des objets diffractants dans la graine 2- Détecter une rotation différentielle Amplitude Changement du temps d’arrivée (s) 1971-1974 Novaya Zemlya LASA (Montana, USA) PKP observé Slowness (s/km) Calcul pour une rotation de 0,45° Vidale, Dodge and Earle, 2000

Les variations de temps de propagation Dans le manteau manteau PKPbc PKPdf Les variations de temps de propagation simulent une rotation différentielle Calvet et Chevrot, 2005

"splitting function″ du mode 13S2 (corrigée du manteau) Rotation différentielle à partir des oscillations libres graine — "splitting function″ du mode 13S2 (corrigée du manteau) Les "splitting functions″ n’ont pas tourné Pas d’évidence de rotation Pour l’ensemble des modes:  = 0.13  0.11 °/an Laske and Masters, 2003

Le problème géodynamique: La graine est solidaire du manteau à cause de la gravité position d’équilibre graine Forces gravitationnelles -> topographie de 100 m à la surface de la graine Rotation synchrone du manteau et de la graine La graine doit se déformer pour suivre le champ de gravité du manteau OU Buffett, 1997

Première incohérence: Structure attendue: degré 2 position d’équilibre graine Première incohérence: Structure attendue: degré 2 Structure observée: degré 1 (hémisphérique) Deuxième incohérence (paradoxe): Brassage permanent de la graine, donc impossible de développer des hétérogénéités (donc impossible d’observer la rotation de la graine) Autre difficulté liée à la croissance hémisphérique forcée par le manteau Stabilité des structures du manteau inférieur  stabilité de la croissance de la graine La structure hémisphérique est au même endroit depuis longtemps

Résumé et perspectives Noyau liquide - homogène, isotrope, avec peu de topographie (< 4 km) - Faible gradient de vitesse à sa base Noyau interne - Anisotropie à symétrie cylindrique de ~3% Axe rapide avec forte atténuation parallèle à l’axe de rotation - isotropie dans les 100 km les plus externes de la graine, variations hémisphériques de cette couche, plus épaisse sous l’hémisphère Est ou désorientation progressive des cristaux dans l’hémisphère Est - anisotropie différente au centre de la graine (à préciser) - présence d’objets diffractants dans la graine et à sa surface(à préciser) Texture et variations hémisphériques probablement liées à un forçage du manteau - rotation différentielle: nulle ou  0.2 °/an plus rapide que le manteau Phases du fer (+ éléments légers) aux conditions du noyau Texture de la graine Processus de cristallisation, acquisition de l’anisotropie et de la texture Bilan thermique et différentiation de la terre Pour les études sismologiques: deux difficultés récurrentes - Les hétérogénéités dues à la couche D“ - Le manque de trajets polaires

Melchior, 1986

Trajet E-W à l’équateur Trajet N-S