Les ondes sismiques et la structure du globe terrestre
Ondes P, S et L, discontinuités de Moho, Gutenberg et Lehmann : comment les séismes révèlent l’intérieur de la Terre.
www.ndolomath.comFiche de révision de SVTEEHB : « Les ondes sismiques et la structure du globe terrestre », proposée par ndolomath.comndolomath
Les ondes sismiques et la structure du globe terrestre
Module III : Éducation à l’environnement et au développement durableSéquence 9 : La structure et l’énergie interne de la TerreSéances 30-31 : Propagation des ondes sismiques ; enveloppes du globe et leurs propriétés
💡 Idée principale : personne n’a jamais foré au-delà de 12 km, mais les ondes sismiques traversent toute la Terre. Leur vitesse change brusquement à certaines profondeurs, les discontinuités : Moho (base de la croûte), Gutenberg (2 900 km, limite manteau-noyau) et Lehmann (5 150 km). On en déduit une Terre en enveloppes : croûte, manteau, noyau externe liquide et graine solide, de plus en plus denses et chaudes vers le centre.
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Étapes résumées
Un séisme émet des ondes P (longitudinales, les plus rapides), S (transversales, pas dans les liquides) et L (de surface).
La vitesse des ondes dépend de l’état et de la nature des matériaux traversés.
Discontinuités : Moho (≈ 7 km sous les océans, 30 à 70 km sous les continents), Gutenberg (2 900 km), Lehmann (5 150 km).
Enveloppes : croûte, manteau (péridotite), noyau externe liquide et graine solide (fer et nickel).
Lithosphère rigide (croûte + manteau supérieur) sur l’asthénosphère plus ductile (zone à faible vitesse).
Situation problème
En 1999, lors de l’éruption du mont Cameroun, les habitants de Buea et de Limbé ont ressenti de nombreuses secousses. Les stations sismiques du monde entier les ont enregistrées. Ariane, élève de 1ère C à Buea, se demande comment des sismographes situés à des milliers de kilomètres peuvent recevoir ces vibrations, et comment les scientifiques connaissent la structure du centre de la Terre sans jamais y être allés.
Consignes :
Relève le problème posé.
Que sont les ondes sismiques et comment les enregistre-t-on ?
Comment ces ondes renseignent-elles sur l’intérieur du globe ?
le problèmele sismogrammeles enveloppes
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Compétence visée
Utiliser les données sismiques pour concevoir la structure du globe terrestre.
Objectifs de la leçon
Décrire les différents types d’ondes sismiques et leur propagation.
Interpréter les variations de vitesse des ondes et localiser les discontinuités.
Décrire les enveloppes du globe et leurs propriétés physico-chimiques.
Les ondes sismiques
Activité 1 : lire un sismogramme
Un sismographe enregistre les vibrations du sol. Le document 1 montre l’enregistrement d’un séisme par une station éloignée du foyer.
Document 1 : sismogramme (schéma).
Dans quel ordre les ondes arrivent-elles ?
Pourquoi le décalage entre les ondes P et S permet-il de calculer la distance du foyer ?
Ce qu’il faut comprendre : on distingue trois trains d’ondes : les ondes P (premières), les ondes S (secondes) et les ondes L (de surface, les plus destructrices). Comme les ondes P sont plus rapides que les S, l’écart entre leurs arrivées augmente avec la distance au foyer. Avec trois stations, on localise l’épicentre.
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1. Caractéristiques des ondes sismiques
Onde
Nature
Vitesse (croûte)
Milieux traversés
P (premières)
longitudinales : compression-dilatation
≈ 6 km/s
solides, liquides, gaz
S (secondes)
transversales : cisaillement
≈ 3,5 km/s
solides seulement
L (de surface)
ondulations du sol
≈ 3 km/s
surface du globe
le globe terrestrela sécurité routièrela tique
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Les discontinuités et les enveloppes du globe
Activité 2 : vitesse des ondes et profondeur
Le document 2 donne la vitesse des ondes P et S en fonction de la profondeur, calculée à partir de milliers de sismogrammes.
Document 2 : vitesse des ondes P et S en fonction de la profondeur.
À quelles profondeurs les vitesses changent-elles brusquement ?
Que se passe-t-il pour les ondes S à 2 900 km ? Qu’en déduis-tu ?
Ce qu’il faut comprendre : les vitesses changent brusquement aux discontinuités : Moho (≈ 30 km ici), Gutenberg (2 900 km), Lehmann (5 150 km). Les ondes S disparaissent à 2 900 km : le noyau externe est liquide. Les ondes P accélèrent à 5 150 km : la graine est solide. Entre 100 et 250 km, une baisse de vitesse marque l’asthénosphère (zone à faible vitesse, LVZ), roche partiellement fondue.
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2. La zone d’ombre, preuve de l’existence du noyau
Document 3 : trajet des ondes P dans le globe et zone d’ombre.
3. Interpréter la zone d’ombre
Entre 103° et 143° de distance angulaire du foyer, les stations ne reçoivent pas d’ondes P directes. En 1914, Beno Gutenberg l’explique par un noyau qui dévie fortement (réfracte) les ondes P : il commence vers 2 900 km de profondeur. Au-delà de 103°, aucune onde S directe n’arrive : le noyau externe est liquide.
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Les propriétés des enveloppes
4. Les enveloppes du globe terrestre
Enveloppe
Profondeur
Composition
État
Densité
Croûte continentale
0 à 30-70 km
granite, roches sédimentaires
solide
≈ 2,7
Croûte océanique
0 à ≈ 7 km
basalte, gabbro
solide
≈ 2,9
Manteau
Moho → 2 900 km
péridotite (olivine, pyroxène)
solide, ductile en partie
3,3 → 5,5
Noyau externe
2 900 → 5 150 km
fer, nickel (+ soufre)
liquide
≈ 10 à 12
Graine (noyau interne)
5 150 → 6 371 km
fer, nickel
solide
≈ 13
Lithosphère et asthénosphère
Lithosphère
Croûte + partie supérieure du manteau, jusqu’à ≈ 100 km : rigide et cassante ; découpée en plaques.
≠
Asthénosphère
Sous la lithosphère : manteau chaud et ductile, qui peut se déformer lentement ; les plaques glissent dessus.
les rochesles plaquesla roche
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Densité, pression et température augmentent avec la profondeur
La densité moyenne de la Terre (5,5) est supérieure à celle des roches de surface (2,7 à 3) : le centre est donc très dense (fer).
La température atteint environ 1 300 °C à la base de la lithosphère et environ 5 000 °C au centre.
Le mouvement du fer liquide du noyau externe crée le champ magnétique terrestre.
Trace écrite : ce que je retiens
À retenir
Un séisme émet des ondes P (rapides, tous milieux), S (plus lentes, solides seulement) et L (de surface).
La vitesse des ondes change aux discontinuités : Moho, Gutenberg (2 900 km) et Lehmann (5 150 km).
Le globe comprend la croûte, le manteau, le noyau externe liquide et la graine solide.
La zone d’ombre (103°-143°) et l’arrêt des ondes S prouvent l’existence d’un noyau externe liquide.
La lithosphère rigide repose sur l’asthénosphère ductile ; densité et température augmentent vers le centre.
je retiensla températureflotter ou couler
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Vocabulaire à connaître
Foyerpoint en profondeur où se produit la rupture du séisme.Épicentrepoint de la surface situé à la verticale du foyer.Discontinuitésurface où la vitesse des ondes change brusquement.Mohodiscontinuité entre croûte et manteau.Asthénosphèrepartie ductile du manteau située sous la lithosphère.
Je m’évalue
1. Quelles ondes ne traversent pas les liquides ?
2. À quelle profondeur se trouve la discontinuité de Gutenberg ?
3. Quel est l’état du noyau externe ?
4. Que montre la zone d’ombre ?
Réponses : les ondes S · vers 2 900 km · liquide · l’existence d’un noyau qui dévie les ondes P. Le corrigé détaillé et d’autres exercices de ce chapitre sont dans les exercices corrigés.
je réfléchisle sommeilla cellule
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Erreurs fréquentes
Croire que le manteau est liquide : il est solide, mais ductile par endroits.
Confondre lithosphère (croûte + manteau supérieur) et croûte.
Penser que les ondes S sont arrêtées par la graine : elles le sont par le noyau externe liquide.
Méthode
Pour exploiter une courbe de vitesse des ondes, repère chaque variation brusque, note la profondeur correspondante, nomme la discontinuité et déduis un changement de nature ou d’état du matériau (solide → liquide si les ondes S disparaissent).
Activité d’intégration
Une station sismique de Yaoundé enregistre un séisme survenu loin en Asie. Elle reçoit les ondes P, mais pas les ondes S directes. Une autre station, plus proche du foyer, reçoit les ondes P puis les ondes S, avec un décalage de 6 minutes.
Explique pourquoi la station de Yaoundé ne reçoit pas d’ondes S.
Indique ce que permet de calculer le décalage de 6 minutes.
Construis un schéma légendé de la structure du globe avec les profondeurs des discontinuités.