Modèle sismologique de la Terre

Il existe un nombre important de sismomètres répartis à la surface du globe permettant d'enregistrer les mouvements du sol induits par les tremblements de Terre. L'analyse d'un sismogramme montre la présence de nombreuses ondes en plus des ondes P et S; elles s'expliquent en termes de réfractions et de réflexions à l'interface entre deux milieux de propriétés différentes. Pour déterminer plus précisément cette structure interne, on utilise les hodochrones: ce sont des courbes reportant le temps d'arrivée de chaque onde (connaissant l'épicentre d'un séisme et le moment où il se produit) en fonction de la distance épicentrale $\Delta$, distance angulaire séparant la station de l'épicentre. On peut ensuite remonter des hodochrones aux profils de vitesse des ondes P et S et de densité en fonction de la profondeur par un problème inverse. Le premier modèle ainsi obtenu est le modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model, Dziewonski & Anderson 1981). On dispose alors d'un modèle sismologique de Terre en couches concentriques:

• la croûte océanique, épaisse de 8 à 10 km sous les océans, et la croûte continentale, épaisse d'environ 30 km à l'intérieur des continents et pouvant atteindre 70 km sous les chaînes de montagnes,
• le manteau, séparé de la croûte par la discontinuité de Mohorovicic (Moho), s'étend jusqu'à 2900 km de profondeur,
• le noyau au centre de la Terre, séparé du manteau par la couche D'' (discontinuité de Gutenberg), siège de fortes hétérogénéités sur 200 km d'épaisseur.

Ces discontinuités s'expliquent par une modification de composition chimique donc une modification des caractéristiques du milieu ($K$, $\mu$, $\rho$).

A l'intérieur du manteau, les discontinuités traduisent des changements physiques:

• entre 100 et 200 km de profondeur, les vitesses $V_P$ et $V_S$ diminuent suite à la diminution de la rigidité (matériau moins visqueux); cette zone est appelée LVZ, pour Low Velocity Zone. On appelle lithosphère la partie sus-jacente la LVZ (elle contient donc la croûte et la partie supérieure du manteau), elle est rigide; l'asthénosphère la partie sous-jacente la LVZ est plus ductile.
• à 400 et 670 km de profondeur, l'augmentation des vitesses sismiques traduit des transitions de phase vers des matériaux plus denses. Le manteau dans son ensemble est formé de roches silicatées; jusqu'à 400 km de profondeur il est principalement formé de péridotites, roches dont les minéraux essentiels sont l'olivine et les pyroxènes. La zone de transition à 400 km marque la transition de l'olivine vers la phase spinelle alors qu'à 670 km, cette dernière se transforme en un assemblage pérovskite et magnésiowüstite. Cette limite marque la séparation entre manteau supérieur et manteau inférieur.

Le noyau est lui aussi divisé en deux parties séparées par la discontinuité de Lehmann à 5100 km de profondeur: le noyau externe, liquide est constitué en majorité de fer et en moindre proportion de nickel et d'éléments légers (oxygène, soufre). Le noyau interne, ou graine, est formé essentiellement de fer solide.