Chapitre 6 — La sismologie et la structure interne du globe · Topic 1 : Séismes et structure interne du globe · Leçon 1.2
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- expliquer comment les ondes sismiques sont réfléchies et réfractées aux interfaces entre les enveloppes du globe ;
- décrire les principales discontinuités du globe (Moho, Gutenberg, Lehmann) ;
- identifier les enveloppes internes du globe à partir du modèle PREM ;
- expliquer les zones d’ombre des ondes P et S et ce qu’elles révèlent ;
- construire un argument scientifique à partir d’un profil de vitesse PREM.
🧭 Plan de la leçon
- Réfraction et réflexion des ondes sismiques
- Les discontinuités internes du globe
- Le modèle PREM : structure interne de la Terre
- Les zones d’ombre : preuve de l’état liquide du noyau externe
- Argument scientifique : interpréter un profil de vitesse PREM
1. Réfraction et réflexion des ondes sismiques
En traversant la Terre, les ondes sismiques ne suivent pas des droites : leur trajectoire se courbe et s’infléchit selon la nature des milieux traversés.
Réflexion : une onde qui atteint une interface entre deux milieux peut être renvoyée dans le milieu d’origine (comme un miroir pour la lumière). La discontinuité de Moho, par exemple, réfléchit une partie des ondes sismiques.
Réfraction : une onde qui passe d’un milieu à un autre de densité différente change de direction (loi de Snell-Descartes). Si la vitesse augmente progressivement avec la profondeur (ce qui est le cas dans le manteau), les ondes décrivent des trajectoires courbes, incurvées vers la surface.
C’est en analysant les trajets et les temps d’arrivée des ondes dans des centaines de stations sismographiques du monde entier que les sismologues ont pu « reconstruire » la structure interne de la Terre, qu’aucun forage ne peut atteindre directement.
2. Les discontinuités internes du globe
Aux interfaces entre les grandes enveloppes du globe, les ondes sismiques changent brusquement de vitesse — c’est la signature d’une discontinuité :
| Discontinuité | Profondeur | Séparation | Signal sismique |
|---|---|---|---|
| Moho (Mohorovičić) | ~7 km (sous les océans) à ~35 km (sous les continents) | Croûte / Manteau supérieur | Accélération brusque des ondes P (~6,8 → ~8 km/s) |
| Discontinuité de Gutenberg | ~2 891 km | Manteau inférieur / Noyau externe | Forte diminution de la vitesse des ondes P ; les ondes S disparaissent (milieu liquide) |
| Discontinuité de Lehmann | ~5 150 km | Noyau externe / Noyau interne | Réapparition et accélération des ondes P ; réapparition des ondes S (milieu solide) |
3. Le modèle PREM : structure interne de la Terre
Le PREM est le modèle de référence mondial de la structure interne de la Terre, établi à partir de l’analyse de milliers de sismogrammes. Il décrit la variation de la vitesse des ondes P et S, de la densité et d’autres paramètres physiques en fonction de la profondeur.
Les quatre grandes enveloppes identifiées :
- Croûte : 0 à ~35 km (continentale) ou 0 à ~7 km (océanique) — roches rigides (granite, basalte, gabbro).
- Manteau : ~35 km à 2 891 km — péridotite, solide mais ductile (plastique) sur le long terme. Les vitesses des ondes P et S augmentent globalement avec la profondeur.
- Noyau externe : 2 891 km à 5 150 km — liquide (fer-nickel fondu). Les ondes S n’y passent pas. Les ondes P ralentissent à l’entrée puis réaccélèrent.
- Noyau interne : 5 150 km à 6 371 km — solide (fer-nickel cristallisé sous haute pression). Les ondes P et S y reprennent de la vitesse.
4. Les zones d’ombre : preuve de l’état liquide du noyau externe
Zone d’ombre des ondes S : au-delà de ~103° de distance angulaire de l’épicentre, les ondes S ne sont plus enregistrées. Cela prouve que le noyau externe ne peut pas transmettre les ondes de cisaillement → il est liquide.
Zone d’ombre des ondes P : entre ~103° et ~143°, les ondes P ne sont pas enregistrées (zone de silence). Cela est dû à la forte réfraction des ondes P à l’interface manteau/noyau externe : elles sont déviées, laissant une « ombre » entre ces deux angles. Au-delà de 143°, les ondes P réapparaissent (PKIKP — ondes qui ont traversé le noyau interne).
La découverte de la zone d’ombre des ondes S par Harold Jeffreys (1926) a été la première preuve directe que le noyau externe de la Terre est liquide — une observation sismologique fondamentale.
5. Argument scientifique : interpréter un profil de vitesse PREM
Question : Un profil PREM montre qu’à ~2 891 km de profondeur, la vitesse des ondes S chute brutalement à zéro, tandis que la vitesse des ondes P diminue fortement. Que révèle cette discontinuité sur la nature du milieu au-delà de cette profondeur ?
Données : La vitesse des ondes S tombe à zéro à 2 891 km : les ondes S ne se propagent plus au-delà de cette profondeur. La vitesse des ondes P chute d’environ 13,7 km/s à ~8 km/s en franchissant cette limite, puis réaugmente progressivement dans la zone concernée. Cette discontinuité correspond à la limite de Gutenberg.
Conclusion : La disparition des ondes S (ondes de cisaillement) à 2 891 km prouve que le milieu situé au-delà est liquide — c’est le noyau externe. Un liquide ne peut pas transmettre d’ondes de cisaillement. La chute de vitesse des ondes P confirme le changement brutal de composition et de densité à cette interface. C’est la discontinuité de Gutenberg, qui marque la limite entre le manteau (solide) et le noyau externe (liquide).
« À 2 891 km de profondeur (discontinuité de Gutenberg), les ondes S disparaissent — elles ne traversent pas les liquides. La vitesse des ondes P chute brusquement. Ces données prouvent que le noyau externe est liquide (fer-nickel fondu). C’est la seule manière d’expliquer que les ondes S ne sont plus enregistrées au-delà de 103° de l’épicentre. »
🧠 À retenir absolument
- PREM : modèle de référence de la Terre interne, établi par sismologie.
- Enveloppes : Croûte → Manteau (solide) → Noyau externe (liquide) → Noyau interne (solide).
- Discontinuités : Moho (croûte/manteau) · Gutenberg (manteau/noyau externe) · Lehmann (noyau externe/interne).
- Zone d’ombre S (>103°) → noyau externe liquide · Zone d’ombre P (103°-143°) → réfraction à l’interface manteau/noyau.
❓ Questions fréquentes
Pourquoi la vitesse des ondes sismiques augmente-t-elle avec la profondeur dans le manteau ?
Dans le manteau, la pression augmente avec la profondeur (due au poids des roches au-dessus). Cette pression élève la rigidité des matériaux — comme un ressort qu’on comprime. Plus les roches sont rigides (module élastique élevé), plus les ondes s’y propagent vite. La progression de la vitesse avec la profondeur dans le manteau est donc liée à l’augmentation de la pression, qui compense et dépasse l’augmentation de température (qui, elle, tend à ralentir les ondes).
Comment sait-on que le noyau interne est solide si les ondes S n’y arrivent pas facilement ?
Des ondes P particulières, appelées PKIKP, traversent le noyau interne : elles voyagent de la source jusqu’au noyau (P), traversent le noyau externe liquide (K pour « Kern », noyau en allemand), entrent dans le noyau interne (I pour « Inner »), et en ressortent pour remonter vers une station (KP). Dans le noyau interne, leur vitesse d’onde P accélère (ce qui est caractéristique d’un solide). De plus, des ondes S très faibles ont été détectées dans le noyau interne par des analyses sismologiques sophistiquées — leur existence confirme le caractère solide de cette zone.
Quelle est la composition du noyau ?
Le noyau est principalement constitué de fer et de nickel (d’où le nom « Fe-Ni » ou « nife »). Cette composition a été déduite de la densité mesurée par sismologie (~10-13 g/cm³ dans le noyau) et de la comparaison avec des météorites ferreuses, considérées comme des fragments du noyau d’astéroïdes différenciés. Le noyau externe contient aussi de légers éléments (soufre, oxygène, hydrogène), qui abaissent la densité par rapport au fer pur. La rotation du noyau externe liquide génère le champ magnétique terrestre par effet dynamo.
La tomographie sismique, c’est quoi ?
La tomographie sismique est une technique qui reconstruit une image 3D de la vitesse des ondes à l’intérieur de la Terre, à partir des différences de temps d’arrivée des ondes dans des milliers de stations mondiales. Là où les ondes sont plus rapides que le modèle PREM → la roche est plus froide et plus dense (anomalie positive). Là où elles sont plus lentes → la roche est plus chaude et moins dense (anomalie négative). On peut ainsi « voir » des panaches mantelliques chauds sous les points chauds (Hawaï, Islande) et des plaques froides qui plongent dans les zones de subduction (slab).
Le modèle PREM est-il définitif ?
Non, le PREM (publié en 1981 par Dziewonski et Anderson) est un modèle de référence moyen qui décrit une Terre sphériquement symétrique. Il ne tient pas compte des hétérogénéités latérales — les différences de vitesse entre les océans et les continents, les panaches chauds, les slabs froids. Des modèles 3D plus précis (CRUST1.0, S20RTS, etc.) sont développés en permanence grâce aux nouvelles données sismologiques. Le PREM reste cependant la référence de base et un outil pédagogique indispensable.