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DEUSTGéosciencesModuledegéophysique
UniversitédelaNouvelle‐Calédonie
Séance2:Physiqueduglobe
J.CollotServicegéologiquedeNouvelle‐Calédonie
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Séance2:PhysiqueduGlobe
1. Sismologiea) Généralités
b) Sismogénèse
c) Tomographie
d) Parasismologie
2. Géomagnétismea) Généralités
b) Magnétogénèse
c) Paléomagnétisme
3. Géodésiea) Généralités
b) Référentiels
c) DynamiquedelaTerre
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1.SISMOLOGIE
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1‐aGénéralités:Historique
• Lestremblementsdeterreontlongtempsétéperçuscommedesmessagesdivins
• Hooke(1668)etMitchell(1760)sontlespremiersàintroduirel’idéequelestremblementsdeterressontliésàlapropagationd’ondesélastiques
• Poisson(1828)montrel’existenced’ondesdecompressionetdecisaillement
• Rayleigh(1887)prédisaitlaprésenced’ondesdesurfaces• Premierssismomètresfin19esiècle
• Oldhamdécouvrelenoyauen1906
• SéismesdeSFOde1906amènel’idéed’uneoriginetectonique
• Erenucléairedesannées50relancelesfinancements:lesUSAmetteenplacelepremierréseaumondialdesurveillancesismologique
Sismologie
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1‐aGénéralités:définitions• Sismologie:Etudedesséismesetplusgénéralementétudedelapropagationdes
ondessismiquesàl’intérieurdelaTerredanslebutd’endéduiresastructureprofonde
• Séisme:Rupturebrutalederochessoumisesàdescontraintes,quilibèredel’énergienotammentsousformed’ondesacoustiques
• Foyer(ouhypocentre):lieuduséismeoùseproduitlarupture
Sismologie
• Epicentre:zonesituéeàlasurfaceduglobeàlaverticaldufoyer
• Sismographe:appareilpermettantd’enregistrerlesmouvementsdusol
• Sismogramme:enregistrementdusismographe(doncdumvtdusol)
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1‐aGénéralités:Lesismographe• Lamassebougequandlesoltrembleavecun
amortissementduauxressorts.Mouvementmasseaimantéeinduituncourantélectriquedansl’anneau.Couranttransmisàl’enregistreur.
• Masserestestationnairequandaucunmouvementn’affectelesolmaisaussisivibrationdusoltroprapideetatteintlafréquencepropredusismomètre.
• T=2π(m/k)½avec:– m:masseaimantée
– k:duretéduressort
• Choixdusismomètrefonctiondesfréquencesàenregistrer.
• Principalesondesterrestres:
Sismologie
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1‐aGénéralités:Lesismogramme• Sismogrammeclassique:
– Arrivéedel’ondeP(compression)àt0
– Suividel’ondeS(cisaillement)àt0+dt
Sismologie
Enregistrement sismologique
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Sismologie
• Lasismologiepeutêtrediviséeentroisbranchesprincipales:
– Lasismogénèse
– Latomographiesismologique
– Laparasismologie
Sismologie
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1‐bSismogénèse• Définition:Lasismogénèses’attacheàl’étudedelasourcesismique.C’està
direlesparamètresquelacaractérisent:
– Salocalisation
– Sataille:
• Lamagnitude
• Lemoment
• L’intensité• L’énergie
• Laconnaissancedecesparamètres,associéeàl’idéequel’onsefaitdelatectoniquedelazoneconcernée,autoriseensuiteladéterminationdumécanismeaufoyer,c’estàdirelephénomènemécaniqueàl’originedutremblementdeterre(normal,inverse,cisaillantetc..)
Sismologie
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Sismogénèse‐localisation
• Lalocalisationd’unséismeexigelapossessiond’aumoinstroisenregistrementsdistinctsquipermettedeprocéderàunetriangulation.Cetteméthodes’effectuemaintenantenroutineàl’aidedelogiciels.Laméthodeclassiques’appellelaméthodedeGeiger.
• Leprincipalproblèmerencontréestl’évaluationexactedel’hypocentre(3D)alorsqueladéfinitiondel’épicentre(2D)esttrèsfacile.
Sismologie
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Sismogénèse‐localisation
V=d/t
tempsd'arrivéedel'ondeP:tp=t0+(d/Vp)
tempsd'arrivéedel'ondeS:ts=t0+(d/Vs)
ts‐tp=d.(1/Vs‐1/Vp)avec:
d:distanceépicentrale
t0:tempsorigine
Vp:vitessedel'ondePVs:vitessedel'ondeS
Sismologie
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Sismogénèse‐magnitude• Lamagnituded’unséismeestunemesureinstrumentale,introduiteparRichter,
quiquantifiel’énergielibérée
• Lamagnitudeestaujourd’huiprincipalementestiméeàpartirdesmesuresdel’amplitudedesondesdesurfaceduséismeenfonctiondeladistanceàl’épicentreàl’aidelaformuleempiriquesuivante:
Ms=log(A/T)+1,66log(D)+3,3avec: A: amplitudedel’ondedesurface
T: périodedel’ondedesurface
D: distanceàl’épicentre
• Attention,lamagnitudeestuneéchellelogarithmique:unséismedemagnitude6est10foisplusfortqu’unséismedemagnitude5et100foisplusqu’unséismedemagnitude4...
• Lesplusgrandesmagnitudesobservéessontdel’ordrede9.(9,5Chili1960;9.3Sumatra2004)
Sismologie
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Sismogénèse‐intensité• L’intensitéd’unséismeestuneestimationapproximativedesdommagescausés
paruntremblementdeterreauxconstructionsetvieshumaines.
• L’intensitéétaitutiliséeavantl’avènementdesmesuresinstrumentalesdelatailleetdelaforcedesséismes.Elleestbaséesurl’échelledeMercalliquiestgraduéede1pouraucundommage,à12pourunedestructiontotale.L’intensitédépendévidemmentautantdelagéologiequedesactivitésanthropiques.
Sismologie
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• Attention!Ilnefautpasconfondreintensitéetmagnitude:– L’intensitéestrelativeetdépenddelapositiondupointd’observationparrapportau
foyer– Lamagnitudeestunparamètrephysiqueabsoluquiquantifiel’énergielibérée
– Ex:unséismedefortemagnitudeseraressentiavecuneforteintensitéparl’observateursituéàproximitédufoyer(etinversement).
Sismologie
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Sismogénèse‐énergie• L’énergied’unséisme,expriméeenergs,estobtenueàpartirdelaformule
commesuit:
logE=1,5Ms+11,8
• Ilfautdoncbiencomprendrequel’augmentationd’uneunitédemagnitudecorrespondàunemultiplicationpar32del’énergiedéployéeparleséisme,alorsquesonamplituden’estaugmentéeque10fois.
Sismologie
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Sismogénèse–Momentsismique• LemomentsismiqueMoestunemesuredifférenteetplussignificativequela
magnitudedelatailledesséismes.Ils’exprimecommesuit,aprèsobservationdelafailleayantjouéàl’origineduséisme:
Mo=mAd
avec: m: rigiditédelaroche
A: surfacedelazonefaillée
d: déplacementdelafaille
• Kanamoriasuggéréen1983l’utilisationd’unnouveaumomentadaptéaussiauxséismesprofonds:
Mw=log(mAd/1,5)–10,7
Sismologie
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Sismogénèse–mécanismeaufoyer
• But:Définirl’orientationetletypedefailleàl’origineduséisme.Ceciesteffectuéàl’aided’unformalismemathématiqueétablitparAki,RichardsetBenMénahem
Sismologie
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Sismogénèse–mécanismeaufoyer
Sismologie
Faille normale (normal fault) Faille décrochante (Strike slip fault)
Faille inverse (thrust fault)
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Sismogénèse–mécanismeaufoyer• Larépartitiondesséismesàlasurfacedelaterrecorréléeàladistributiondes
mécanismesfocauxontpermisdedémontrerl’existencedesmargesd’accrétionetdesubductiondesplaquestectoniques.Lasismologieaainsiapportéundesélémentsdeconstructionduparadigmedelagéodynamiqueglobale.
Sismologie
• 95%del’énergiesismiqueesteneffetlocaliséeauxlimitesdeplaquestectoniques,et86%destremblementsdeterresontlocalisésdansleplandeBenioffdeszonesdesubduction.
Répartition des séismes dans le
monde Répartition des mécanismes au foyer dans la région de Tonga - Kermadec
Répartition des séismes en fonction de la profondeur dans la région de Tonga -
Kermadec
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1‐cImagerie–Tomographiesismique• Définitiongénérale:Méthodequiconsisteàreconstruirelevolumed’unobjetà
partird’unesériedemesuresdéportéesàl’extérieurdel’objet.Danslecasparticulierdelatomographiesismique,onconstruitunmodèledevitesse3Ddelaterre
Sismologie
Nomenclature de certains rais sismiques enregistrés en différents points du globe
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Tomographie
• Latomographiesismologiqueestàl’originedel’ensembledesconnaissancesstructuralesextracrustales.
• Permetdeconstruiredesmodèlesdevitessescorroboréspard’autresdisciplinesgéophysiques
• LesondesSnesepropagentpasdanslesmilieuxliquides
Sismologie
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Tomographie
• Cesmodèlesontensuiteététraduitdansledomainestructuralparl’associationgénéralementacceptéegraine–noyau‐manteauinférieur‐manteausupérieur‐croûte.
• Entomographiecrustale,ons’attacheàconstruiredesmodèlesphysiquesdeszonesstructuralementimportantes(margesactivesd’accrétion,d’obductionoudesubduction)afindemieuxcomprendrelesmécanismesdelatectoniquedesplaques.
• Onutilisepourcelalesenregistrementsdeséismesprochesoudessourcesartificielles.
Sismologie
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1‐dParasismologie
• Définition:Laparasismologies’attached’unepartàtenterdeprédireavecleplusdeprécisiontemporellepossiblelesséismesetéruptionsvolcaniques,d’autrepartàcartographierlerisquesismiqueetadapterl’activitéhumaineàcedernier.
Sismologie
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1‐dParasismologie• Lesméthodesdeprédictionsontloind’êtreaupointetbénéficientd’uneffort
importantderecherche.Dansdeszonesàlaséismicitétrèsbienconnue,desmodèlesprédictifsassezefficacesontpuêtreélaborés.Maisenrèglegénérale,onnepeutprédireunséismequ’aumilliond’annéesprès,cequin’apasunintérêtabsolu.
Sismologie
Distribution des épicentres le long de la faille nord Anatolienne
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Parasismologie• Connaissanceexactedesmécanismesfocauxetdel’énergiedégagéepermet
dedévelopperdesoutilsdemodélisationutilisésengéniecivilafindeconstruiredesbâtimentsparasismiques.
• Pouvoirspublicsessayentdeproduiredescartesrendantprécisémentcomptedurisquesismiqueafindeguiderl’installationdesactivitésanthropiques.
Sismologie
Construction parasismique
Carte de l’aléa sismique du Sud Ouest Pacifique
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2‐Géomagnétisme
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2‐aGénéralitésGéomagnétisme
• L’intérieurdelaterrecomprisentre2.900et5.100kmdeprofondeurestappelénoyau.Cenoyauestconstituéessentiellementdeferetdenickelenphaseliquidesoumisàd’importantsmouvementsdeconvectionlente.
• Cesmouvementssontàl’originedecourantsélectriquesquifontdelaterreuneimmensedynamo.Eneffet,cescourantsnodulairesinduisentunchampmagnétiquequireprésentel’essentieldelamagnétosphèreterrestre.Parcontre,lafaçondontcescourantsélectriquess’entretiennentresteencoremystérieuse.
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2‐aGénéralitésGéomagnétisme
• Lenoyauestdoncàl’origineduchampmagnétiqueterrestre.Sonpotentielestcomplexe,maisilpeutêtreréduitenpremièreapproximationàunmodèledipolairequicomprenddespôlespositifetnégatifprochesdenospôlesgéographiquessudetnord.
Dipôle magnétique
Champs magnétique terreste nous protège en déviant les particules chargées issues du soleil
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2‐aGénéralitésGéomagnétisme
• Lesobservationsrépétéesduchamp,quisonteffectuéesdepuis400ansàParisetLondres,montrentqu’ilvariedansletemps.Cesvariationstemporellessontsoitséculaire,soittransitoires.
• Lavariationséculaire:
• estunevariationlenteetrégulière,d’origineinterneetsembledueauxvariationsdesmouvementsdeconvectionnodulaire.
• concerneaussibienlesamplitudeslocalementmesuréesquel’orientationduchamp.Cedernierphénomèneestconnusousletermededérivedespôles.Cedéplacementpeutallerjusqu’àuneinversiondespôlesnordetsud.
• Lesvariationstransitoiressontd’origineexterneettraduisentl’influencedescourantsionosphériquessurlechampgéomagnétique.
Excursions des pôles magnétiques Entre 1945 et 2000
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2‐bMagnétogénèseGéomagnétisme
• Définition : La magnétogenèse s’attache à construire un modèle mathématique le plus exact possible du champ magnétique (modèle 4D)
• Levés de données sur de longues périodes afin de se soustraire des variations transitoires. Tout les cinq ans, un champ total et un champ dipolaire de références IGRF (International Geomagnetic Reference Field) sont établis.
Déclinaison du champs magnétique selon l’IGRF 1995
Intensité du champs magnétique selon l’IGRF 1999
• Les modèles géomagnétiques débouchent sur des modèles géologiques et physiques du noyau.
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2‐cPaléomagnétismeGéomagnétisme
• Définition : Etude des variations du champ magnétique au cours des temps géologiques
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2‐cPaléomagnétismeGéomagnétisme
• Certaines roches sont en partie constituées de minéraux qui possèdent la particularité de fossiliser l’intensité et la direction du champ magnétique lors de leur mise en place, comme la magnétite. (Point de Curie)
inclinaison
x
z
déclinaison
Nord magnétique
Ligne de champ magnétique
, inclinaison – déclinaison rémanente
Est
CHAMP ACTUEL
CHAMP REMANENT
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2‐cPaléomagnétismeGéomagnétisme
• Dans le cadre de la tectonique des plaques, la cartographie du champ rémanent des océans actuels permet de déduire la position des continents dans le passé.
Carte de l’anomalie magnétique Carte des isochrones magnétiques permettant la datation des fonds marins
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3.Géodésie
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3‐aGénéralités• Définition : science qui mesure et
représente la surface terrestre du globe et sa déformation dans le temps
• Les navigateurs ne savaient pas se positionner sur la surface de la terre. Incapacité de calculer la longitude (latitude par rapport au soleil).
• Mesure de degrés de méridien à différentes latitudes (missions La Condamine) : naissance de la géodésie
Géodésie
• Géodésie moderne : • Utilisation satellites, avions, cartographie, GPS etc …
• Nécessité de connaître la forme exacte de la terre pour s’y positionner avec précision. Aplatie aux pôles ou aplatissement équatorial ?
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Maisqu’est‐cequelaformedelaTerre?• La surface topographique : Altitudes comptées à partir d'une surface de
référence. • Attention : surface des océans n’est pas sphérique !
Géodésie
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LeGéoïdeGéodésie
• Géoïde : surface équipotentielle du champs de pesanteur
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Exemple:leGéoïdeautourdelaNC
Géodésie
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Géodésie
• Nécessité de créer un « Ellipsoïde de référence », un « référentiel géodésique » : • WGS-84 • IGN-72 • RGNC-91 • NZGD2000
3‐bRéférentiels
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3‐cDynamiquedelaTerreGéodésie
• Mais la Terre se déforme ! • Marées terrestres • Tectonique des plaques
Cinématique des plaques
Marées terrestres
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DynamiquedelaTerreGéodésie
• Rotation, precession et nutation • aplatissement aux pôles
• Création ITRF (International Terrestrial Reference System) qui est un modèle 4D.
Aplatissement aux pôles
Rotation, Precession, Nutation
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Techniquespourcalculerlessurfacesterrestres
Géodésie
• Plusieurs techniques sont utilisées : • triangulation et nivellement
• Etablissement de points géodésiques qui sont ensuite utilisés comme repères par les topographes et cartographes (DITTT)
• Ne rend compte que localement de la surface terrestre (et de manière relative).
• astronomie géodésique • Définit les longueurs longitudinales et latitudinales à partir des
mesures astronomiques (observation des étoiles). Von Humbolt 18e s.
• Définit un ellipsoïde trop approximatif • Gravimétrie
• mesure du champ de pesanteur pour modéliser la terre sous forme de géoïde.
• Géodésie spatiale • Altimétrie satellitaire Station télémétrie laser
