Exercice 2. Ondes de volume et structure interne

Il existe un nombre important de sismomètres répartis à la surface du Globe (programme GEOSCOPE) permettant d'enregistrer les mouvements du sol. Lorsqu'on connaît l'épicentre d'un séisme et le moment où il se produit (t₀) il est possible de reporter sur un diagramme le temps d'arrivée d'une onde donnée en fonction de la distance épicentrale (D, distance séparant la station de l'épicentre, ou du foyer, exprimée en degrés). Ce type de diagramme est appelé hodographe et les courbes hodochrones (figure 2.1).

Figure 2.1: Construction d'un hodographe. Pour chaque sismogramme (A, B et C), les différentes ondes sont identifiées et « pointées »; ces points sont ensuite reliés afin de construire l'hodochrone.

Figure 2.2: Hodographe brut montrant toutes les arrivées enregistrées entre 1988 et 1994; il contient 1578 séismes (source : http://mahi.ucsd.edu/pubs.html). En survolant la figure avec la souris vous avez l'interprétation des données qui s'affiche et en cliquant vous aurez les deux côte à côte.

 
Question 1 Comment évolue la vitesse des ondes P et S avec la distance épicentrale ? Qu'est-ce que cela implique en terme de profondeur ? Que pouvez-vous en déduire si vous comparez ces mesures aux équations des vitesses sismiques ? Quel autre type d'information peut-on extraire des hodographes ?

Nomenclature des ondes:
P et S correspondent au type d'onde. On y ajoute des modifications en fonction des zones explorées par ces ondes :

- les majuscules indiquent une réfraction alors que les minuscules une réflexion,

Par exemple, une onde PKP est une onde P qui s'est propagée d'abord dans le manteau, qui a été ensuite réfractée dans le noyau externe, puis qui s'est de nouveau propagée dans le manteau.

Question 2 Décrire le chemin parcourru par une onde PKIKP.

L'étude fine des hodochrones (figure 2.2) permet de mettre en évidence la structure interne de la Terre. Par exemple, quel que soit le lieu d'un séisme, tous les sismogrammes situés dans une bande entre 104 et 144 ° de distance épicentrale ne reçoivent aucune onde directe. Cette zone est appelée zone d'ombre (figure 2.3).

Figure 2.3: Schéma montrant la géométrie et la position de la zone d'ombre par rapport à un séisme particulier.

Question 3 Comment expliquez-vous cette "disparition des ondes" directes ?

Cette anomalie se produit lorsque le milieu traversé par les ondes présente une discontinuité de vitesses sismiques en profondeur.
Question 4

1/ Connaissant le rayon de la Terre (R=6371 km) et au vu des informations ci-dessus, calculez la profondeur de cette discontinuité. On supposera la Terre sphérique et formée de deux couches concentriques et homogènes, i.e. les vitesses sismiques restent constantes dans les deux milieux.
2/ La profondeur calculée est proche de la limite manteau-noyau située à 2900 km. Comment expliquez vous cette différence ?

Eléments de correction: cliquez ici.

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