Mots clés : onde P, onde de compression, vitesse sismique, manteau, noyau, module d'incompressibilité, module de cisaillement, masse volumique, déformation élastique

Vitesse des ondes P et structure du globe

Frédéric Chambat

Laboratoire des Sciences de la Terre, ENS Lyon

Jan Matas

Laboratoire des Sciences de la Terre, ENS Lyon

Pierre Thomas

Laboratoire des Sciences de la Terre, ENS Lyon

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15/03/2002

Résumé

Calcul de la vitesse des ondes P dans les différentes couches de la Terre, évolution des différents paramètres avec la profondeur.


Table des matières

Question

Objet : Vp dans le noyau Date  : Ven, 15 Fév 2002 15:01:36 De  : d.c.

« Pourquoi la vitesse des ondes P est-elle plus faible à 5 100 km de profondeur qu'à 2 900 km alors qu'elle est normalement plus élevée dans le fer ? »

Réponse

Résumé. Attention à ne pas essayer de comparer deux matériaux qui ne sont pas à la même pression, pas à la même température et qui sont différents chimiquement et minéralogiquement ! C'est une subtile combinaison entre les paramètres physiques (Κ, μ et ρ) du manteau et du noyau qui donne la valeur des vitesses sismiques Vp : il est ainsi un peu difficile de savoir "intuitivement" comment varie Vp entre deux matériaux (manteau et noyau)...

La vitesse des ondes P est donnée par la formule :

avec Κ = module d'incompressibilité ; μ = module de cisaillement ; ρ = masse volumique.

Physiquement, on peut comprendre la position de ces 3 paramètres dans la formule.

  • Plus un corps est difficile à comprimer (Κ grand), plus il se détend vite, et plus l'onde se propage vite (un ressort dur se détend plus vite qu'un ressort mou).
  • Plus un corps est difficile à déformer élastiquement (μ grand), plus il revient vite à sa position initiale (une lame d'acier difficile à tordre revient vite à sa position initiale quand on la relâche...).
  • Plus un corps est dense, plus il est difficile à mettre en mouvement : l'onde se propage alors moins vite.

Pour le fer solide et la péridotite solide, les valeurs numériques de ces 3 paramètres sont telles que la vitesse des ondes P est de 14 km/s à la base du manteau (2900 km), alors qu'elle est de 11 km/s au sommet de la graine (5100 km).

Dans le fer liquide du noyau externe, où μ est très petit, la vitesse est comprise entre 8 et 10 km/s.


Quand on s'enfonce, la masse volumique des matériaux augmente (en particulier parce que la pression augmente), et donc la vitesse des ondes devrait diminuer. Mais lorsque la pression augmente, Κ et μ (au numérateur) augmentent plus que ρ. Ainsi, pour un même matériau, la vitesse Vp augmente avec la profondeur.

Mots clés : onde P, onde de compression, vitesse sismique, manteau, noyau, module d'incompressibilité, module de cisaillement, masse volumique, déformation élastique