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

1. Composition et structure
interne de la Terre

2. 1. Introduction
Un peu d’histoire...

3. 1. Introduction
Comment observer l’intérieur
de la Terre?
~10km maximum

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. Séismes et ondes sismiques
Près de l’épicentre
2. La sismologie
Déformation permanente : cassante, les
cassante
failles
Nevada, 16 dé cembre 1954
USGS

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. Mesurer les mouvements du
sol
Est-Ouest
Nord-Sud
2. La sismologie
Vertical
Temps (s)

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. 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. 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. 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. 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. 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. Variations radiales des vitesses sismiques
2. La sismologie
Solide
Liquide
Solide
410km
410km
670km
Modèle radial de Terre

15. 2. La sismologie
Modèle radial de Terre

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 3. Composition chimique & minéralogique
Un modèle minéralogique
Quelles conditions de température?
Le noyau est liquide
4000K!!
Fe liquide
Fe solide

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. 3. Composition chimique & minéralogique
Un modèle minéralogique
Les roches du manteau : Les péridotites
Olivine > 50%
Pyroxènes < 50%
Oxydes d’Aluminium < 10%

27. 3. Composition chimique & minéralogique
Un modèle minéralogique
Conditions P-T de l’intérieur de la Terre

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. 3. Composition chimique & minéralogique
Post-perovskite

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