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.

Intr

od

ucti

on

2.

La s

ism

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.

La s

ism

olo

gie

Northridge, CA 1994 USGS

Mesurer les mouvements du sol2.

La s

ism

olo

gie

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.

La s

ism

olo

gie

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.

La s

ism

olo

gie

• Ondes P

• Ondes S

2.

La s

ism

olo

gie

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.

La s

ism

olo

gie

Ondes réfléchies, transmises(c=réflechie sur noyau, K=transmise dans le noyau)

2.

La s

ism

olo

gie

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.

La s

ism

olo

gie

ic

i

z

Variations radiales des vitesses sismiques

Le profil de vitesseLe profil de vitesse

Modèle radial de Terre Modèle radial de Terre

2.

La s

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670km

670km 4

10km

410km

LiquideLiquide SolideSolideSolideSolide

Variations radiales des vitesses sismiques

2.

La s

ism

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.

Com

posit

ion

ch

imiq

ue &

min

éra

log

iqu

e

Comment interpréter les Comment interpréter les modèles de vitesses sismiques ?modèles de vitesses sismiques ?

3.

Com

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ch

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ue &

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iqu

e

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.

Com

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ch

imiq

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log

iqu

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.

Com

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ch

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iqu

e

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.

Com

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iqu

e

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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iqu

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.

Com

posit

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ch

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iqu

eUn modèle minéralogiqueUn modèle minéralogique

Quelles conditions de pression?Quelles conditions de pression?

3.

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iqu

e

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.

Com

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e

Fe solideFe solide

Fe liquide

4000K!!4000K!!

Un modèle minéralogiqueUn modèle minéralogique

3.

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e

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.

Com

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iqu

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.

Com

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iqu

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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e

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.

Com

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ch

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e

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

ns