Cours sur la Structure interne de la Terre - L1

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Cours Structure interne de la Terre ; Géosciences 1 de l'université Lyon 1

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  • Ondes de surface en général moins rapides que les ondes de volume
  • Vdeep < Vsup
  • Pour connaître la densité, il faut connaître les vitesses, K, mu.  2 eqautions pour 3 inconnues. Donc on utilise la gravité en complément pour connaître la densité.
  • Réfractaire <> volatil ; volatil : élément qui se sublime à basse température ; réfractaire élément qui se condense à haute température
  • Pour les éléments volatils, ou pas totalement sidérophiles ou lithophiles, il faut trouver d’autres moyens…
  • Cours sur la Structure interne de la Terre - L1

    1. 1. Composition et structure interne de la Terre
    2. 2. 1. Introduction Un peu d’histoire...
    3. 3. 1. Introduction Comment observer l’intérieur de la Terre? ~10km maximum
    4. 4. Plan 1. Introduction 2. La sismologie révèle la structure interne 1. Introduction 1.1 séismes et ondes sismiques 1.2 variations radiales des vitesses sismiques 1.3 les variations latérales 3. Composition du manteau et du noyau 2.1 Un modèle géochimique 2.2 Un modèle minéralogique 4. Conclusions
    5. 5. Séismes et ondes sismiques Près de l’épicentre 2. La sismologie Déformation permanente : cassante, les cassante failles Nevada, 16 dé cembre 1954 USGS
    6. 6. Ondes sismiques 2. La sismologie Plus loin, des vibrations, des ondes qui se propagent. La déformation n’est pas permanente : déformation élastique. Northridge, CA 1994 USGS
    7. 7. Mesurer les mouvements du sol Est-Ouest Nord-Sud 2. La sismologie Vertical Temps (s)
    8. 8. Vibrations du sols : les ondes sismiques 2. La sismologie 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.
    9. 9. Ondes de volume • Propagation « sphérique » • Ondes P (premières), de compression, longitudinales 2. La sismologie K : module d’incompressibilité en Pa µ : module de cisaillement en Pa ρ : masse volumique du matériau • Ondes S, de cisaillement, transversales (dans un plan perpendiculaire à la propagation)
    10. 10. Propagation des ondes de volume Rai sismique : trajectoire de la propagation, perpendiculaire au front de l’onde 2. La sismologie • Ondes P • Ondes S
    11. 11. Ondes de surface 2. La sismologie • Interférences de P et S • « Paquet » d’ondes de vitesses variables guidées par une interface • Ondes de Rayleigh, de Love
    12. 12. Variations radiales des vitesses sismiques Les différentes phases observées Ondes réfléchies, transmises 2. La sismologie (c=réflechie sur noyau, K=transmise dans le noyau)
    13. 13. Variations radiales des vitesses sismiques Le profil de vitesse i z ic 1. Au point de courbure du rai : 2. La sismologie ic = π /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 z
    14. 14. Variations radiales des vitesses sismiques 2. La sismologie Solide Liquide Solide 410km 410km 670km Modèle radial de Terre
    15. 15. 2. La sismologie Modèle radial de Terre
    16. 16. 3. Composition chimique & minéralogique Comment interpréter les modèles de vitesses sismiques ? •Avoir une idée de la composition chimique de la Terre •Reproduire en laboratoire les conditions de Pression et de Température de l’intérieur de la Terre
    17. 17. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle géochimique Les corps parents des planètes Les chondrites •Météorites non différenciées •Fer métal + silicates •Les plus vieilles •Chondres : billes de silicates Les météorites différenciées •Achondrites = silicates •Sidérites = métaux •En général plus jeunes Débris de noyaux et manteaux planétaires? Museum national d’histoire naturelle
    18. 18. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle géochimique Composition chimique initiale de la Terre • Composition de la nébuleuse ~composition du soleil (99.9% masse totale) • Composition des plus vieilles météorites (chondrites 4.562Ga)
    19. 19. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle géochimique Composition du manteau • Certains éléments réfractaires sont lithophiles (Hf par exemple) ils ne vont pas dans le noyau ils vont uniquement dans le manteau [L]manteau x Mmanteau = [L]chondrite x MTerre -9 Exemple : [U]manteau = 14.10 x 3/2 = 21.10-9 kg/kg de roche L : élément réfractaire lithophile
    20. 20. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle géochimique 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 -6 Exemple : [Au] = 0.16.10 x 3/1 = 0.48.10-6sidérophile métal S : élément réfractaire kg/kg de
    21. 21. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle géochimique Composition chimique de la Terre Tous les éléments ne sont pas totalement réfractaires, totalement sidérophiles ou lithophiles…
    22. 22. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle minéralogique Matériaux des différentes enveloppes • 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.
    23. 23. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle minéralogique Quelles conditions de pression? P = ρ. g.h ρ ~ 4500 kg.m-3 g ~ 10 m.s-2 h ~ 6 000 000 m 9 P = 265.10 Pa = 265 GPa = 2 millions
    24. 24. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle minéralogique Quelles conditions de température? Le noyau est liquide 4000K!! Fe liquide Fe solide
    25. 25. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle minéralogique Expériences de choc ou en écrasement P = Force/Surface Surface~0.01mm Un exemple : la cellule à enclume de diamants Echantillon Laser
    26. 26. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle minéralogique Les roches du manteau : Les péridotites Olivine > 50% Pyroxènes < 50% Oxydes d’Aluminium < 10%
    27. 27. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle minéralogique Conditions P-T de l’intérieur de la Terre
    28. 28. 3. Composition chimique & minéralogique Un modèle minéralogique Comprimer une olivine, le composant principal des péridotites Changements de phases Olivine α (Fe,Mg)2SiO4 Orthorombique 25GPa  Pérovskite (Fe,Mg)SiO3 Cubique 120GPa Post-Pérovskite (Fe,Mg)SiO3 Pression
    29. 29. 3. Composition chimique & minéralogique Post-perovskite
    30. 30. 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 Conclusions • 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

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