Fiche de révision
SVTEEHB

Comportement des ondes sismiques à l’intérieur du globe

Accélérées, déviées, arrêtées : comment les ondes sismiques révèlent les couches cachées au cœur de la Terre.

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Fiche de révision de SVTEEHB : « Comportement des ondes sismiques à l’intérieur du globe », proposée par ndolomath.com

Comportement des ondes sismiques à l’intérieur du globe

Module III : L’éducation à l’environnement et au développement durableSéquence 13 : La structure et l’énergie internes de la TerreSéance 74 : Comportement des ondes sismiques à l’intérieur du globe
💡 Idée principale : la vitesse des ondes sismiques dépend des propriétés des roches traversées. Leurs changements brusques de vitesse, leurs réflexions et réfractions révèlent des discontinuités : le Moho (base de la croûte), la discontinuité de Gutenberg (2 900 km, limite manteau–noyau) et celle de Lehmann (5 150 km). L’existence d’une zone d’ombre et l’arrêt des ondes S prouvent que le noyau externe est liquide.
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Étapes résumées
  1. Dans un milieu homogène, les ondes iraient en ligne droite à vitesse constante ; dans la Terre, elles accélèrent avec la profondeur et leurs trajets sont courbes.
  2. Le Moho : les ondes passent brusquement de ≈ 6 à 8 km/s (onde réfractée plus rapide).
  3. À 2 900 km (Gutenberg) : la vitesse des P chute et les S disparaissent → noyau externe liquide.
  4. Zone d’ombre entre 103° et 143° de l’épicentre : aucune onde directe n’y arrive.
  5. À 5 150 km (Lehmann) : les P accélèrent → graine solide.

Situation problème

Après un grand séisme au Japon, les sismographes du monde entier enregistrent les ondes. Curieusement, la station de Yaoundé, située à environ 120° de l’épicentre, n’enregistre presque rien, alors que des stations plus lointaines, à 160°, reçoivent des ondes P mais aucune onde S.

Consignes :

  1. Relève les observations surprenantes.
  2. Comment expliquer qu’une station plus proche reçoive moins d’ondes qu’une station plus lointaine ?
  3. Que peut-on déduire de l’absence d’ondes S à 160° ?
le problème
le sismogramme
la sécurité routière
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Compétence visée

Concevoir un modèle simple de la structure interne de la Terre à partir du comportement des ondes sismiques.

Objectifs de la leçon

  • Expliquer la mise en évidence du Moho.
  • Interpréter le profil des vitesses des ondes P et S en profondeur.
  • Expliquer la zone d’ombre et en déduire l’état du noyau externe.

La découverte du Moho

Activité 1 : l’expérience de Mohorovičić

En 1909, le sismologue croate Mohorovičić remarque que, au-delà de 200 km environ de l’épicentre, les ondes P arrivent plus tôt que prévu (document 1).

Document 1 : trajets direct et réfracté des ondes P.

  1. Pourquoi l’onde réfractée, qui fait un trajet plus long, peut-elle arriver la première ?
  2. Que peut-on conclure sur les roches situées sous 30 km ?
Ce qu’il faut comprendre : l’onde réfractée descend jusqu’à une limite où sa vitesse passe brusquement de ≈ 6 à ≈ 8 km/s, puis voyage plus vite le long de cette limite : loin du foyer, elle rattrape et dépasse l’onde directe. Il existe donc une discontinuité entre la croûte et un milieu plus rigide, le manteau : c’est le Moho, vers 30 km sous les continents (jusqu’à 70 km sous les montagnes) et 7 km sous les océans.
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Les vitesses des ondes en profondeur

Activité 2 : le profil des vitesses

Le document 2 présente la vitesse des ondes P et S en fonction de la profondeur (modèle calculé à partir de milliers de sismogrammes).

Document 2 : vitesse des ondes P et S de la surface au centre de la Terre.

  1. Que deviennent les ondes S à 2 900 km ? Pourquoi ?
  2. Que se passe-t-il à 5 150 km ?
Ce qu’il faut comprendre : la vitesse augmente avec la profondeur dans le manteau (roches de plus en plus comprimées et rigides). À 2 900 km, la vitesse des P chute brusquement et les S disparaissent : le milieu traversé ne transmet pas le cisaillement, il est liquide : c’est le noyau externe (discontinuité de Gutenberg). À 5 150 km, les P accélèrent et des ondes S réapparaissent : la graine (noyau interne) est solide (discontinuité de Lehmann).
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La zone de faible vitesse
  • Entre ≈ 100 et 250 km de profondeur, les ondes ralentissent légèrement : c’est la LVZ (zone à moindre vitesse).
  • Les roches y sont proches de la fusion (quelques % de liquide) : c’est l’asthénosphère, ductile, sur laquelle glissent les plaques.

La zone d’ombre

1. Une ombre sismique

Les stations situées entre 103° et 143° de distance angulaire de l’épicentre ne reçoivent pas d’ondes directes : c’est la zone d’ombre. En arrivant sur le noyau, les ondes P sont ralenties et fortement réfractées (déviées) vers le centre ; elles ressortent au-delà de 143°. Les ondes S, elles, sont arrêtées par le noyau externe liquide : au-delà de 103°, on ne reçoit plus d’ondes S directes.

les ombres
les roches
la roche
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2. Bilan des discontinuités

DiscontinuitéProfondeurCe qui change
Mohorovičić (Moho)≈ 7 à 70 kmP : 6 → 8 km/s ; limite croûte / manteau
Gutenberg2 900 kmP ralentissent, S disparaissent : manteau solide / noyau liquide
Lehmann5 150 kmP accélèrent : noyau externe liquide / graine solide

Trace écrite : ce que je retiens

À retenir
  • La vitesse des ondes sismiques dépend de la nature et de l’état (solide ou liquide) des roches.
  • Le Moho sépare la croûte du manteau (P : 6 → 8 km/s).
  • À 2 900 km (Gutenberg), les S disparaissent : le noyau externe est liquide.
  • À 5 150 km (Lehmann), les P accélèrent : la graine est solide.
  • La zone d’ombre (103° à 143°) s’explique par la réfraction des ondes sur le noyau.
je retiens
les enveloppes
le globe terrestre
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Vocabulaire à connaître

Discontinuitésurface où la vitesse des ondes change brusquement.Réfractionchangement de direction d’une onde qui change de milieu.Zone d’ombrerégion du globe qui ne reçoit pas d’ondes directes.Asthénosphèrecouche du manteau, ductile, sous la lithosphère.Grainenoyau interne solide de la Terre.

Je m’évalue

1. À quelle profondeur se trouve la discontinuité de Gutenberg ?
2. Pourquoi les ondes S n’atteignent-elles pas le centre de la Terre ?
3. Entre quelles distances angulaires se situe la zone d’ombre ?
4. Que deviennent les ondes P en passant le Moho ?

Réponses : vers 2 900 km · le noyau externe est liquide · 103° et 143° · elles accélèrent (6 → 8 km/s). Le corrigé détaillé et d’autres exercices de ce chapitre sont dans les exercices corrigés.

je réfléchis
la planète Terre
le cortex
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Erreurs fréquentes

  • Croire que le manteau est liquide : il est solide (seule une très faible part de l’asthénosphère est fondue).
  • Penser que la zone d’ombre est due à un obstacle opaque : elle est due à la réfraction des ondes sur le noyau.
  • Confondre Moho (croûte/manteau) et Gutenberg (manteau/noyau).

Méthode

Pour interpréter un profil de vitesse : repère chaque saut brusque (discontinuité), note sa profondeur, regarde si les ondes S existent (solide) ou disparaissent (liquide), puis nomme les enveloppes de part et d’autre.

Activité d’intégration

Un séisme se produit en Indonésie. La station de Garoua est à 105° de l’épicentre, celle de Douala à 108°, et une station en Amérique du Sud à 165°. Les sismologues comparent leurs enregistrements.

  1. Quelles stations reçoivent des ondes directes ? Justifie.
  2. Quel type d’ondes reçoit la station d’Amérique du Sud ? Pourquoi ?
  3. Explique comment ces observations prouvent l’existence d’un noyau liquide.

La correction détaillée de cette activité et d’autres sujets type est dans les cours et exercices corrigés.

le virus
la cellule
l’énergie du vent
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