Composition et structure Composition et structure interne de la Terreinterne de la Terre
1.
Intr
od
ucti
on
Un peu d’histoire...
Comment observer l’intérieur de la Terre?
1.
Intr
od
ucti
on ~10km maximum
Plan
1. Introduction2. La sismologie révèle la structure interne
1.1 séismes et ondes sismiques
1.2 variations radiales des vitesses sismiques1.3 les variations latérales
3. Composition du manteau et du noyau2.1 Un modèle géochimique
2.2 Un modèle minéralogique
4. Conclusions
1.
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2.
La s
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olo
gie
Déformation permanente : cassantecassante, les failles
Séismes et ondes sismiques
Près de l’épicentre
Nevada, 16 décembre 1954
USGS
Ondes sismiques
Plus loin, des vibrations, des ondes qui se propagent.
La déformation n’est pas permanente :
déformation élastique.déformation élastique.
2.
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Northridge, CA 1994 USGS
Mesurer les mouvements du sol2.
La s
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Est-Ouest
Nord-Sud
Vertical
Temps (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.
2.
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Vibrations du sols : les ondes sismiquesVibrations du sols : les ondes sismiques
Ondes de volume• Propagation « sphérique »• Ondes P (premières), de compression, longitudinales
K : module d’incompressibilité en Pa : module de cisaillement en Pa : masse volumique du matériau
• Ondes S, de cisaillement, transversales (dans un plan perpendiculaire à la propagation)
2.
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• Ondes P
• Ondes S
2.
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Propagation des ondes de volumePropagation des ondes de volume
Rai sismique : trajectoire de la propagation, perpendiculaire au front de l’onde
Ondes de surface
• Interférences de P et S• « Paquet » d’ondes de vitesses variables guidées
par une interface• Ondes de Rayleigh, de Love
2.
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Ondes réfléchies, transmises(c=réflechie sur noyau, K=transmise dans le noyau)
2.
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Variations radiales des vitesses sismiques
Les différentes phases observéesLes différentes phases observées
1. Au point de courbure du rai :
ic = /2 donc p=sin(ic)/Vc = 1/Vc
2. On mesure p en surface p=sin(i)/V
3. Avec la loi de Descartes on en déduit Vc
4. On connaît V en fonction de z2.
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ic
i
z
Variations radiales des vitesses sismiques
Le profil de vitesseLe profil de vitesse
Modèle radial de Terre Modèle radial de Terre
2.
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670km
670km 4
10km
410km
LiquideLiquide SolideSolideSolideSolide
Variations radiales des vitesses sismiques
2.
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olo
gie
Modèle radial de Terre Modèle radial de Terre
•Avoir une idée de la composition Avoir une idée de la composition chimique de la Terrechimique de la Terre
•Reproduire en laboratoire les conditions Reproduire en laboratoire les conditions de Pression et de Température de de Pression et de Température de
l’intérieur de la Terrel’intérieur de la Terre
3.
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Comment interpréter les Comment interpréter les modèles de vitesses sismiques ?modèles de vitesses sismiques ?
3.
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Les chondritesLes chondrites•Météorites non différenciées
•Fer métal + silicates•Les plus vieilles
•Chondres : billes de silicates
Les météorites différenciéesLes météorites différenciées•Achondrites = silicates•Sidérites = métaux•En général plus jeunes
Museum national d’histoire naturelle
Débris de noyaux et manteaux planétaires?
Les corps parents des planètesLes corps parents des planètes
Un modèle géochimiqueUn modèle géochimique
• Composition de la nébuleuse ~composition du soleil (99.9% masse totale)
• Composition des plus vieilles météorites (chondrites 4.562Ga)
Composition chimique initiale de la TerreComposition chimique initiale de la Terre
3.
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eUn modèle géochimiqueUn modèle géochimique
• Certains éléments réfractaires sont lithophiles (Hf par exemple)
ils ne vont pas dans le noyauils vont uniquement dans le manteau
[L]manteau x Mmanteau = [L]chondrite x MTerre
Exemple : [U]manteau = 14.10-9 x 3/2 = 21.10-9 kg/kg de roche
3.
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L : élément réfractaire lithophile
Un modèle géochimiqueUn modèle géochimique
Composition du manteau
Composition du noyau• Certains éléments réfractaires sont sidérophiles
(W par exemple)
ils ne vont pas dans le manteau ils vont uniquement dans le noyau
[S]Noyau x Mnoyau= [S]chondrite x MTerre
Exemple : [Au] = 0.16.10-6 x 3/1 = 0.48.10-6 kg/kg de métal
3.
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S : élément réfractaire sidérophile
Un modèle géochimiqueUn modèle géochimique
Composition chimique de la TerreComposition chimique de la TerreTous les éléments ne sont pas totalement
réfractaires, totalement sidérophiles ou lithophiles…
3.
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eUn modèle géochimiqueUn modèle géochimique
Matériaux des différentes Matériaux des différentes enveloppesenveloppes
• Trouver les matériaux dont les propriétés (K,m,r) reproduisent le profil de vitesses sismiques
• Pas d’échantillons de la Terre profonde (> 500km)
Conduire des expériences aux conditions de P-T de la Terre profonde.
3.
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eUn modèle minéralogiqueUn modèle minéralogique
Quelles conditions de pression?Quelles conditions de pression?
3.
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P = g.h
~ 4500 kg.m-3
g ~ 10 m.s-2
h ~ 6 000 000 m
P = 265.10P = 265.109 9 Pa = 265 Pa = 265 GPaGPa
= 2 millions = 2 millions d’atmosphèresd’atmosphères
Un modèle minéralogiqueUn modèle minéralogique
Quelles conditions de température?Quelles conditions de température?
Le noyau est liquide
3.
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Fe solideFe solide
Fe liquide
4000K!!4000K!!
Un modèle minéralogiqueUn modèle minéralogique
3.
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EchantillonEchantillon LaserLaser
Expériences de choc ou en Expériences de choc ou en écrasementécrasement
Un exemple : la Un exemple : la cellule à enclume cellule à enclume
de diamantsde diamants
P = Force/Surface
Surface~0.01mm
Un modèle minéralogiqueUn modèle minéralogique
3.
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e Les roches du manteau : Les péridotitesLes roches du manteau : Les péridotites
Olivine > 50%Olivine > 50%Pyroxènes < 50%Pyroxènes < 50%Oxydes d’Aluminium < 10%Oxydes d’Aluminium < 10%
Un modèle minéralogiqueUn modèle minéralogique
3.
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e Conditions P-T de l’intérieur de la TerreConditions P-T de l’intérieur de la Terre
Un modèle minéralogiqueUn modèle minéralogique
Comprimer une olivine, le composant principal Comprimer une olivine, le composant principal des péridotitesdes péridotites
3.
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Olivine (Fe,Mg)2SiO4
Orthorombique 25GPa Pérovskite(Fe,Mg)SiO3
Cubique
120GPa Post-Pérovskite
(Fe,Mg)SiO3
PressionPression
Changements de phasesChangements de phases
Un modèle minéralogiqueUn modèle minéralogique
3.
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Post-perovskite
Ce qu’il faut retenir• La sismologie permet de sonder indirectement
l’intérieur de la Terre
• Les vitesses sismiques varient radialement et horizontalement à cause des changements minéralogiques et des variations de température et de chimie
• Le manteau est solide, tout comme la graine, à l’inverse du noyau externe
• Les transitions de phase dans l’olivine permettent de comprendre le profil de vitesses radiales
• On peut connaître la composition chimique de la Terre interne à partir des météorites
Con
clu
sio
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