Dérive des continents et ondes sismiques

Ondes sismiques P et S

I. Schéma récapitulatif

 

 

Tout commence au niveau du foyer (ou hypocentre) là où se crée le séisme. Un séisme est une rupture brutale de roches suite à l’accumulation de contraintes. Suite à cette rupture, il y a dispersion d’énergie et vibrations, propagation de déformations.

Ici en bleu, on a représenté des fronts d’ondes. Sur un front d’ondes toutes les particules sont en phase. On a représenté en jaune, le rai sismique. C’est la direction que prend la perturbation. La zone où se crée le séisme (le foyer) induit une perturbation qui se propage dans toutes les directions de l’espace.

En surface de la Terre, on dispose des sismomètres qui enregistrent les perturbations, à différents moments, en fonction de leur distance par rapport au foyer sismique.

L’épicentre est la projection du foyer en surface de la Terre. Une fois le séisme créé, on a des perturbations : les ondes.

 

II. Ondes premières et secondes

 

Une onde est une perturbation dans un milieu élastique qui se propage sans déplacement de matière. Ces ondes étudiées sur les sismogrammes (enregistrées au niveau des sismomètres) sont surtout de deux types :

– Les ondes Premières (P) arrivent en premier : ce sont les plus rapides.

– Les ondes Secondes (S) arrivent dans un second temps.

 

A. Modélisation d’une onde première

Nous allons expliquer pourquoi on qualifie les ondes premières de longitudinales et les ondes secondes de transversales.

L’idée est de modéliser une onde première. On prend un ressort. On crée une perturbation le long de ce ressort et on observe comment elle se propage. On crée un pincement au niveau du ressort et on lâche. On voit une propagation au niveau du ressort de proche en proche de type compression/dilatation.

La déformation est parallèle à la propagation, c’est pour ça qu’on parle d’ondes longitudinales. C’est ce qui modélise l’onde P (première).

 

B. Modélisation d’une onde seconde

Ici, comme perturbation, on ne crée pas une compression/dilatation comme sur le ressort mais on crée un cisaillement avec la corde.

La perturbation est un cisaillement, donc si on le modélise très simplement, on voit comme une vague qui se propage : c’est la perturbation. Elle est sans déplacement de matière donc c’est bien une onde. Il y a le phénomène ondulatoire : c’est l’onde S. Elle arrive dans un second temps donc on parle d’onde seconde. La perturbation est perpendiculaire à la propagation. L’onde S est transversale.

 

C. Calcul des vitesses de propagation

Ces formules ne sont pas au programme, mais on s’en sert pour expliquer la notion de densité.

 

La vitesse de l’onde première est $sqrt{dfrac{kappa+dfrac{4}{3mu}}{rho}}$.

$kappa$ est le module d’incompressibilité, $mu$ est le module de cisaillement et $rho$ est la masse volumique.

On veut montrer que la vitesse de cette onde première sera d’autant plus grande que κ et μ seront grands. Or, si l’on prend un objet difficile à comprimer, il sera rapide à se détendre. Un ressort qui est difficile à comprimer se détend très vite. Pour le module de cisaillement, la scie est peu élastique, difficile à cisailler donc elle se remet très vite dans sa position initiale. Plus le matériau aura un module d’incompressibilité et un module de cisaillement élevé plus la vitesse sera grande. Donc, plus la masse volumique est importante, plus la vitesse est faible. Ce qui paraît surprenant puisqu’on a vu que plus on va en profondeur, plus la masse volumique augmente, plus la densité augmente. En fait, $kappa$ et $mu$  dépendent aussi de la densité. Plus le matériau est dense, plus la vitesse de l’onde sera grande.

 

La vitesse de l’onde seconde est $sqrt{dfrac{mu}{rho}}$.

$mu$ est le module de cisaillement et donc  on comprend pourquoi les ondes S ne se propagent pas dans un liquide. Imaginons de l’eau, on ne peut pas la cisailler. $mu$ est nul dans l’eau. Les ondes secondes ne se propagent que dans des milieux solides et non dans des milieux liquides.

 

Wegener et la dérive des continents

Wegener a théorisé une dérive des continents en 1912.   

 

I. La représentation de Suess

 

Fin XIXe, début XXe siècle, la communauté scientifique s’allie plutôt à la représentation d’Eduard Suess qui est la suivante. On suppose que la Terre est une matière en fusion qui refroidit, et en refroidissant elle se rétracte. Elle se ride, un peu comme une pomme, et ces rides induisent des phénomènes de mobilité verticale avec des creux et des bosses. Les creux seraient occupés par de l’eau (les mers) et les bosses seraient occupées par des montagnes. Donc, à l’époque de Suess (début XXe siècle), les scientifiques s’accordent pour dire qu’il y a effectivement des mouvements verticaux. Quant aux mouvements horizontaux, on les associe à des plissements près des montagnes mais ils ne sont pas trop théorisés. On pense vraiment à un refroidissement, une diminution du volume et donc l’apparition de creux et bosses.

 

II. La théorie de Wegener

 

Wegener trouve plusieurs arguments et se place plutôt dans le mobilisme. Il veut démontrer qu’il y a beaucoup de mouvements horizontaux. Les mouvements verticaux font l’unanimité mais les mouvements horizontaux, non. Pour cela, il évoque plusieurs arguments qui sautent aux yeux qu’on montre dans le schéma suivant.

 

 

On reconnaît l’Afrique et l’Amérique du Sud. Un des arguments phares de Wegener est la concordance des côtes entre l’Amérique du Sud et l’Afrique. Il voyage beaucoup et était météorologue, entre autres, ce qui est aussi une chose assez originale : ce scientifique était pluridisciplinaire. Il met en évidence que certains fossiles (les indices paléontologiques qu’on retrouve en Afrique et en Amérique latine) sont datés du même âge. Il est peu probable que le fossile ait traversé tout l’Atlantique. Donc, l’Afrique et l’Amérique du Sud ont été à un moment donné un même continent. Il y a énormément d’arguments pétrographiques.

Il y a aussi un argument de traces d’ancien glacier que l’on a au Sud de l’Afrique et qui correspondent à une zone côtière de l’Amérique du Sud. Il y a donc toute une panoplie d’arguments pour dire que les continents ont dérivé. Ils ne formaient qu’un seul continent : la Pangée, et ont dérivé.

Un autre argument qu’on étudie s’appelle la distribution bimodale des altitudes. Cela peut paraître surprenant comme argument de dérive et de mouvement horizontal. L’idée de Wegener était de regarder l’homogénéité ou l’hétérogénéité des altitudes aussi bien sur le continent que la batimétrie au niveau des océans. À la fin du XIXe siècle, il y a beaucoup de câblages entre le Royaume-Uni et l’Amérique du Nord. On pose des câbles télégraphiques, ce qui permet d’avoir des données sur la profondeur des océans. Avec toutes ces données, Wegener se rend compte que théoriquement, si la surface de la Terre (selon le modèle d’E. Suess) était homogène, on devrait avoir des creux et des bosses un peu partout : aussi bien sur les continents que dans les océans. Quand on récupère les données de batimétrie et quand on regarde la topographie des reliefs continentaux, on se rend compte qu’il y a une distribution non pas gaussienne (unimodale) mais bimodale.

 

 

Autrement dit, les continents ont des altitudes plutôt élevées (moyenne supérieure à 1 000 m) et les océans ont des profondeurs moyennes d’environ 4 700 m (-4700m). L’idée étant que puisque les continents ont des altitudes plutôt élevées et les océans des profondeurs assez importantes, il suppose que les continents ont des densités faibles et dérivent (d’où la dérive des continents) sur un support plus dense.

Pour terminer, il propose une représentation de la Terre. Pour évoquer la dérive de l’Afrique et de l’Amérique, il a nommé Sial pour Silicium et Aluminium (éléments chimiques de faible densité composant la majorité de la croute continentale) les plaques qui dériveraient sur quelque chose de plus dense : le Sima (Silicium-Magnésium, beaucoup plus dense). Cette représentation est fausse, mais l’idée révolutionnaire de Wegener était surtout de démontrer que les continents sont mobiles. Les plaques lithosphériques aussi bien continentales qu’océaniques sont mobiles. Son idée était qu’il y avait une mobilité à la surface du globe terrestre et non un fixisme que défendait pas exemple Eduard Suess.

Le noyau : une zone d'ombre pour les ondes S et P

Sur ce schéma de la notion de zone d’ombre, le foyer est symbolisé en rouge, c’est la zone de rupture de roches d’où naît le séisme. En vert et orange, on a les directions de propagation de l’onde : les rais sismiques.

 

 

I. Les ondes P

 

Ces ondes P (en vert) sont réfractées lorsqu’elles passent un nouveau milieu. On constate que le rai vert est réfracté au passage du milieu symbolisé par le trait bleu. C’est une réfraction. Il y a une autre réfraction quand on part du milieu bleu vers le milieu de départ. Le milieu de départ est le manteau et le milieu bleu, le noyau. Les ondes P sont réfractées lorsqu’elles passent au niveau du noyau puis au niveau du manteau.

Grâce aux stations d’enregistrement disposées à la surface du globe, suite à un séisme, on observe que les stations situées entre 98° et 145° ne reçoivent aucun enregistrement au niveau de leur sismomètre. Alors qu’entre 145° et 145° et avant 98°, on enregistre des perturbations. On en déduit la présence, après calculs, à 2 900 km de profondeur (déduction faite par Gutenberg) d’une grande surface de discontinuité où il existe ce fort phénomène de réfraction des ondes P. Cette surface de discontinuité sépare le manteau solide (fait de péridotite) d’un noyau à l’état liquide qui redevient solide à partir de 5 100 km de profondeur.

 

II. Les ondes S

 

Concernant les ondes S (en orange), la méthode de calcul de leur vitesse correspond à :   $sqrt{dfrac{mu}{rho}}$ (volume de cisaillement sur masse volumique).

Le volume de cisaillement dans un liquide est nul, donc l’onde S ne se propage pas dans un milieu liquide. Lorsqu’on regarde les rais des ondes S, on constate qu’entre 98° et 98°, il y a une grande zone d’ombre. L’ombre est due au noyau qui ne permet pas le passage des ondes S puisque celui-ci est à l’état liquide.

 

Le noyau fait donc une ombre au niveau de la propagation des ondes P et aussi des ondes S.