Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°56 de jan/fév/mar 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 4,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur Pierre-Gilles de Gennes et l'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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a 100 km c 1000 km 600 km b d très grandes longueurs d’ondes. Deux structures de vitesses sismiques lentes, certainement chaudes, mais peut-être aussi de composition différente, sont à peu près centrées sur l’équateur, sous le Pacifique et sous l’Afrique. On les appelle parfois les « super-panaches ». Elles sont entourées de bandes de vitesses plus rapides, qui correspondraient au « cimetière de plaques »  : endroits où les plaques recyclées dans le manteau se sont accumulées à la base de celui-ci au cours des temps géologiques. La nature et le rôle de ces structures à grande échelle font encore actuellement l’objet de débats et de recherches très actives. Sismogrammes numériques de la Terre Jusqu’à présent, l’essentiel de la tomographie était basée sur des hypothèses théoriques très simples sur la propagation des ondes dans une Terre « à trois dimensions », comme la « théorie des rais (c) » (équivalent des lois de Fresnel en optique) et la théorie des modes propres de la Terre (un sismogramme complet est décrit comme la somme de modes propres). Ces approximations supposent que les structures ne s’écartent que faiblement de la symétrie sphérique et ne permettent pas de prendre en compte des variations latérales rapides de structure. Nous nous sommes maintenant 8 Reflets de la Physique n°56 5 0 -5 2 0 -2 dlnVs (%) dlnVs (%) 2800 km 4. Cartes de vitesse des ondes sismiques de cisaillement dans le manteau aux profondeurs de 100, 600, 1000 et 2800 km. L’échelle de couleur donne les variations relatives de vitesse par rapport à la moyenne à la profondeur donnée, interprétées en termes de température. En rouge, vitesse plus lente et température plus élevée ; en bleu, vitesse plus élevée et température plus basse. (D’après A.M. Dziewonski et al., Earth Planet. Sci. Lett. 299 (2010) 69-79). » > affranchis de ce problème par le calcul très précis du champ des ondes (c’est-à-dire des déplacements de matière) par la méthode des éléments spectraux, une méthode numérique d’éléments finis avec des polynômes d’ordre élevé, qui s’adapte bien à la géométrie de la sphère et aux calculs parallèles. Ceci est rendu possible par le développement rapide de la puissance des ordinateurs. On peut donc exploiter plus à fond et de manière plus précise l’information contenue dans les sismogrammes. Nous avons ainsi gagné en précision, en particulier pour détecter les zones de vitesses sismiques lentes de faible étendue. En effet, lorsque les ondes émises par un séisme se propagent dans une zone contenant une telle « structure lente », les ondes qui arrivent en premier à la station de détection sont celles qui ont contourné cette structure. La structure lente est alors « cachée » par ce phénomène qu’on appelle «wavefront healing». Pour décrire de façon précise les zones lentes, il faut faire appel à une très large bande de fréquences et analyser des sismogrammes complets. Les deux exemples suivants montrent des applications de ces techniques, actuellement en plein développement. Le premier exemple est l’observation des trajets entre un séisme de l’ouest du Pacifique et le réseau très dense nordaméricain de stations sismiques (fig. 5a). 2 1 0 -1 -2 2 0 -2 dlnVs (%) dlnVs (%) On étudie les ondes diffractées à la limite noyau-manteau sur ces trajets, et notamment sur la frontière nord du « super-panache pacifique » observé en rouge sur la figure 4d. Dans un modèle tomographique lisse (continu), on ne trouve pas de variation de la forme de l’onde de cisaillement diffractée le long de la limite sismique entre le noyau et le manteau en fonction de la position de la station (fig. 5b droite), sauf une augmentation progressive du temps d’arrivée pour les trajets qui passent dans le super-panache. Les formes d’onde observées (fig. 5b gauche) montrent toutefois un champ d’onde beaucoup plus complexe, avec des variations d’amplitude considérables  : l’amplitude des ondes diffractées diminue fortement à la traversée de la frontière des super-panaches, et on voit apparaitre des ondes secondaires qui ont interagi avec une structure « anormale » localisée près de la limite noyau-manteau (fig. 5c). Ceci nous a amenés à proposer la présence d’une zone très particulière à la base du manteau  : elle peut se modéliser au premier ordre par un cylindre d’une hauteur de 25 km et d’un diamètre d’environ 800 km (fig. 5d). La réduction de vitesse des ondes de cisaillement y serait de 20%, ce qui est considérable puisque les variations latérales de vitesse obtenues par tomographie sismique à cette profondeur (fig. 4) ne dépassent pas 3 à 4% en général. Le deuxième exemple concerne des résultats récents dans le manteau supérieur, les premiers obtenus par l’application des techniques numériques à la tomographie. Un phénomène très intéressant mis en évidence par les méthodes numériques est l’existence de « zones lentes », à 250 km de profondeur, dont la structure est particulière (S. French et al., Science 342 (2013) 227-230). Aussi bien dans l’océan Pacifique que dans l’Antarctique, l’océan Atlantique et l’océan Indien, ces zones où la vitesse de propagation des ondes S est ralentie s’alignent dans la direction du mouvement des plaques (e.g. fig. 6a). Sur les coupes verticales à travers le Pacifique (fig. 6b) apparaissent des structures très singulières organisées de manière quasi périodique, avec une longueur d’onde de l’ordre de 2000 kmentre les zones plus lentes, qui persistent jusqu’à des profondeurs de 250 à 300 km, et des zones intermédiaires plus rapides. Serait-ce la première mise en évidence dans le manteau terrestre des cellules de convection de Richter évoquées plus haut ?
a D c -4 -2 0 2 4 dInV s (%) imu Azimuth (degrés) Azimuth (degrés) 40 45 50 55 60 D b Observation Prédiction 35 35 65 -20 40 45 50 55 60 65 0 20 40 60 -20 0 20 40 60 dt (s) dt (s) Temps d’arrivée Hauteur  : 25 km Diamètre  : 800 km Réduction de vitesse  : 20% 5. Détection d’une zone de vitesse « ultralente » des ondes S à la base du manteau terrestre. (a) Distribution des vitesses de cisaillement à 2800 km de profondeur sous l’océan Pacifique dans le modèle tomographique 3D SAW24816 deC. Mégnin et B. Romanowicz (Geophys. J. Int. 143 (2000) 709-728). Sont aussi indiquées les projections des trajets de quelques ondes S diffractées entre un séisme de l’ouest du Pacifique et les stations du réseau USArray aux USA. En vert, la portion de trajet qui échantillonne les derniers 300 km à la base du manteau. (b) On compare les formes d’ondes observées (à gauche) avec les formes d’ondes calculées (à droite) dans le modèle tomographique montré en (a). L’ellipse rouge entoure les ondes secondaires. (c) Représentation de la zone de vitesse « ultralente » des ondes S permettant d’expliquer la complexité des formes d’onde observées en (b). (d) Cette zone agit comme une lentille, défléchissant les trajets des ondes. (S. Cottaar et B. Romanowicz, Earth Planet. Sci. Lett. 355-356 (2012) 213-222). Profondeur (km) Profondeur (km) 100 100 200 200 300 300 100 100 200 200 300 300 100 d -4 -2 0 2 4 100 200 dln V s (%) -4 -2 0 2 4 200 dln V Perturbation s (%) 300 de vitesse par rapport à la moyenne 300 Perturbation de vitesse 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 par rapport à la moyenne 0 1000 2000Distance 3000 le 4000 long 5000 de la section 6000 (km) 7000 8000 Distance le long de la section (km) V s (km/s) a b V 4,2 4,4 4,6 4,8 s (km/s) 4,2 Vitesse 4,4 absolue 4,6 4,8 Vitesse absolue 6. Zones « lentes ». (a) Variations latérales relatives de la vitesse des ondes S à 250 km de profondeur dans le modèle SEMum2, exprimées par rapport à la moyenne globale à cette profondeur. La flèche noire indique la direction absolue du mouvement de la plaque Pacifique. Les zones de couleur rouge, où la vitesse des ondes S est ralentie, sont parallèles à cette flèche. (b) Coupes verticales selon les profils 1, 2 et 3 indiqués en noir sur la carte en (a). Noter que dans ces coupes la vitesse est représentée en unités absolues (km/s). Conclusion Images de la physique Jusqu’aux années 1980, notre discipline a travaillé avec des modèles portant sur des valeurs moyennes de la structure sismique en fonction de la profondeur. Avec le développement des méthodes tomographiques, on a pu accéder aux hétérogénéités de grande échelle ; aujourd’hui les informations sont beaucoup plus précises, grâce à la puissance des ordinateurs appliquée au calcul numérique du champ des ondes. Dans le futur, nous pensons atteindre une encore meilleure résolution et donc accéder à des structures de plus en plus fines. L’espoir de la tomographie sismique repose sur des méthodes plus performantes de calcul du champ des ondes, mais aussi sur des réseaux transportables denses de stations sismiques, tel par exemple le réseau USArray (d) à travers le continent nordaméricain, qui est en train de porter ses fruits. Il serait utile de pouvoir étendre ce réseau à d’autres régions du globe, en particulier dans les océans. Ce n’est pas un problème technologique, mais de coût et de logistique. ❚ B.R. remercie V. Pierron-Bohnes pour son travail remarquable de première rédaction à partir de la transcription de la conférence donnée au congrès SFP de Marseille. (a) Principe et fonctionnement d’un sismomètre  : on trouvera sur le site du Musée de sismologie et de la collection de géophysique de l’Université de Strasbourg toutes les informations et explications nécessaires  : http://musee-sismologie.unistra.fr/comprendre-les-seismes/notions-pour-petits-etgrands/les-sismometres/. (b) La subduction (fig. 3b) provoque parfois une déformation extensive de la plaque supérieure, faisant naitre un bassin en arrière de l’arc volcanique principal. L’amincissement de la lithosphère au niveau de ce bassin d’arrière-arc peut favoriser l’apparition d’un volcanisme secondaire. (c) Les rais sismiques sont les équivalents des rayons pour les ondes lumineuses  : des trajectoires issues du foyer sismique et perpendiculaires en tout point aux fronts d’onde. Selon le principe de Fermat, le temps mis par un ébranlement pour aller d’un point à un autre est minimum le long des rais. Dans la Terre, la vitesse des ondes augmentant avec la profondeur, les rais sont courbes (fig. 1b). (d) USArray est un réseau de 400 stations sismiques espacées de 70 km les unes des autres, en partie transportables, installé progressivement d’ouest en est entre 2004 et 2013 aux États-Unis. Ce réseau permet d’étudier la structure fine de la lithosphère sous le continent nord-américain. Pour en savoir plus La plupart des articles de B. Romanowicz sont accessibles sur  : http://seismo.berkeley.edu/wiki_br/Publications Reflets de la Physique n°56 9



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