L’analyse des ondes sismiques permet de déduire de nombreuses caractéristiques des enveloppes internes de la Terre.
I. Nature et épaisseur des couches
La masse de la Terre indique que son noyau doit être dense, donc constitué principalement de fer et de nickel. Les ondes S étant des ondes de cisaillement, elles ne peuvent pas se propager dans les liquides. L’absence d’ondes S dans le noyau externe montre donc que celui-ci est constitué de fer et de nickel liquides, au contraire du noyau interne solide.
Vers 100-200 km de profondeur, les ondes sont ralenties dans la LVZ (Low Velocity Zone), qui sépare la lithosphère de l’asthénosphère.
La LVZ est plus profonde sous les continents que sous les océans, donc la lithosphère continentale est plus épaisse (150-200 km) que la lithosphère océanique (généralement moins de 100 km).
II. Comportement des couches
La tomographie sismique est l’analyse de la vitesse des ondes sismiques. La vitesse dépend de la densité du milieu : en effet, les ondes se propagent plus facilement si les atomes sont proches, donc dans un milieu dense.
Cette étude révèle des anomalies par rapport au modèle PREM. Ainsi, une anomalie négative indique un milieu moins dense, donc souvent plus chaud ; une anomalie positive révèle un milieu plus dense et plus froid.
Doc Séismes et anomalies de vitesse près de la fosse des Tonga
Au voisinage des fosses océaniques, la présence d’un panneau plus froid d’environ 100 km d’épaisseur montre que l’ensemble de la lithosphère océanique plonge dans l’asthénosphère. Les foyers des séismes étant majoritairement localisés dans la lithosphère océanique, celle-ci est donc rigide et cassante, au contraire de l’asthénosphère plus chaude et ductile.
Méthode
Utiliser un document de tomographie sismique
Les géologues suspectent l’existence d’une ancienne lithosphère océanique sous l’est de l’Amérique du Nord, appelée lithosphère de Farallon, qui aurait été engloutie dans le manteau il y a 50 Ma.
Montrer que cette lithosphère est toujours visible par tomographie.
Doc Coupe par tomographie sismique sous les États-Unis
Conseils
Étape 1 Faire appel à ses connaissances pour savoir ce que l’on cherche.
Étape 2 Mettre en évidence les principales zones d’anomalies de vitesse.
Étape 3 Rappeler le lien entre vitesse, densité et température.
Étape 4 Comparer les observations à ce qu’on attendait, et conclure.
Solution
Étape 1 Une ancienne lithosphère océanique se caractérise par un panneau froid, disposé de façon oblique puisqu’il a été englouti (vers – 50 Ma).
Étape 2 On observe, sous les États-Unis, une zone horizontale vert-bleu (= anomalie positive de vitesse) entre 400 et 650 km de profondeur, qui se prolonge en oblique à partir de la côte est jusqu’à au moins 2 100 km de profondeur. Le reste du manteau (de 30 à 2 900 km de profondeur) présente des vitesses conformes au modèle PREM, voire légèrement plus faibles.
Étape 3 Les ondes sont plus rapides dans un milieu dense et/ou froid, et plus lentes dans un milieu peu dense et/ou chaud.
Étape 4 La vaste zone de vitesses plus importantes indique donc une zone froide, qui pourrait correspondre à l’ancienne lithosphère Farallon. Sous la côte est, la zone oblique indique l’ancienne région où cette plaque était engloutie (par subduction, voir le chapitre 6). Ainsi la tomographie sismique montre bien les traces de cette ancienne lithosphère océanique.