deust géosciences module de géophysique

DEUSTGéosciencesModuledegéophysique

UniversitédelaNouvelle‐Calédonie

Séance2:Physiqueduglobe

J.CollotServicegéologiquedeNouvelle‐Calédonie

DIMENCjulien.collot@gouv.nc

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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