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2- Les grands enjeux et la tomographie sismique
Barbara Romanowicz - Cours 2012 -Chaire de Physique de l’Intérieur de la Terre
Collège de France 8 Octobre 2012
Structure et dynamique du manteau profond
de la terre
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Tectonique des plaques
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Points chauds et panaches mantelliques
Morgan, 1971 Panaches mantelliques
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Distribution des Points chauds
Foulger, 2011
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Courtesy of Cinzia Farnetani
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Les “trapps” continentaux • Epanchements massifs et soudains de laves
basaltiques en quantités bien supérieures à tout processus volcanique actuel.
• Souvent associés avec le début de l’activité volcanique de points chauds majeurs, dont l’origine est sans doute dans le manteau profond
• Souvent associés à l’ouverture de rifts continentaux
• Pourraient être les « têtes » de panaches mantelliques dont les « queues » se manisfestent encore par le magmatisme des points chauds?
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Richards et al., 1989
Provinces de trapps associés à des points chauds ac3fs et dont l’érup3on remonte à moins de 250 Ma.
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Richards et al., 1989
-> Injection d’eau dans du glucose à débit constant -> Viscosité de l’eau 104 fois plus faible que celle du glucose
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• Quelle est la “source” des panaches mantelliques et quel est leur rôle dans la convection mantellique?
– A quel niveau dans le manteau se situe cette source(670km, CMB?)
– Représente-t-elle un réservoir “primordial” de matériau terrestre non échantillonné par les basaltes des rides océaniques?
– Si la source est à la CMB, le flux de chaleur transporté par les panaches nous renseigne sur la proportion de chauffage par le bas (noyau) et chauffage interne par radioactivité
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• Existence, nature et rôle des panaches mantelliques
• Hétérogénéités géochimiques – Laves basaltiques
• MORB “Mid ocean ridge basalts” • OIB “Ocean Island Basalts”
– Composition isotopique différentes pour certains éléments trace
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87Rb-‐>87Sr demi-‐vie: 48.8 Ga 147Sm-‐> 143Nd -‐ 106 Ga
Con3nental crust
Workman, 2005
Points chauds (OIB-‐ ocean island basalts)
PRIMA
EM-‐1
HIMU
EM-‐2
FOZO
(MORB) Distinction MORB et OIB: Existence possible de différents
“réservoirs” dans le manteau
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Hétérogénéités de l’hélium
Parman, 2007
3He primordial 4He radiogenic from decay of 235U 238U and 232Th
Unité Ra= rapport atmosphérique Photosphère solaire: 318Ra Météorites: 90 Ra
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Hétérogénéités dans le manteau terrestre
• Tectonique des plaques -> hétérogénéités chimiques
– Volcanisme, fusion-> ségrégation – Subduction: réinjecte les produits du volcanisme dans le
manteau-> mélange
• Echantillons du manteau semblent appauvris en certains éléments lithophiles incompatibles, en particulier les éléments radioactifs.
• => réservoirs “cachés” échantillonnés par les panaches?
• => budget thermique de la terre (proportion de chauffage par radioactivité et par chauffage par le bas)
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Le cycle géodynamique vu par les géochimistes
Allègre, 2008
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Budget thermique et composition du chimique: sources d’hétérogénéités
• On connaît la composition en éléments radioactifs (U, Th, K) de la croûte continentale
– Contient ~50% U, Th. – Manteau supérieur appauvri
• Comment estimer le reste? – Composition moyenne de la terre => bilan des éléments radioactifs: ~20TW – Ceci représente près de la moitié du flux de chaleur total ~46 +/- 3 TW
Flux de chaleur
Moyenne continents: 65 mW/m2
Moyenne océans: 101 mW/m2
Distribution des mesures de flux de chaleur
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Composition moyenne de la terre
• 2 types de données: – Météorites – Echantillons du manteau –
• Modèle de référence “classique” = modèle chondritique – Modifié par l’évolution différente de la
nébuleuse solaire (haute T) et de l’intérieur de la terre (basse T)
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Mélange hétérogène de composants avec des températures de formation différentes et dans des conditions différentes
Planète: Mélange de métal, silicates, éléments volatiles
Quelle est la composition de la terre?
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Chondrites • Échantillons de matériau du système solaire datant
d’avant la fusion et la différentiation manteau/noyau – Composition varie suivant les conditions dans la
nébuleuse solaire: volatilité (temp. de condensation) – Haute temp. de condensation (>1300K): RLE (refractory
lithophile elements), ex. U Th -> ont le meme rapport de masse dans toutes les chondrites
– Potassium: K température de condensation moyenne
• Chondrites CI carbonacées s’accordent le mieux avec les concentrations du soleil, mais renferment plus de volatiles que la terre (H20,C02)
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% en masse
Fe
Si
Mg
McDonough, CIDER 2010
Les plus abondantes (80%)
Les moins métamorphosées (5%)
Con3ennent une Grande propor3on d’ ensta3te MgSiO3
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- Chondrites: échantillons de matériau du système solaire datant d’avant la fusion et la différentiation manteau/noyau - Les CI chondrites carbonacées ont une composition semblable à celle du soleil, qui représente la “moyenne” du système solaire Modifiées par perte d’éléments volatiles suivie de réduction (perte d’O2)
In?
10-3
10-2
10-1
100
101
102SolarComposition Normalized to CI Chondrites
Be N NeAl S K Ti MnNiGaSeRbZrRhCdSbXeLaNdGdHoYbTaOsAuPb UB O NaSi ClCa VFeCuGeBr SrNbPd In TeCsCeSmTb ErLu W Ir HgBi
Li C F Mg P Ar Sc CrCoZnAs Kr Y RuAgSn I BaPrEuDyTmHfRe Pt Tl Th
Elements in Order of Atomic Mass
Li
C
N
Solar and CI composi3ons from Palme and O’Neill, Trea3se on Geochemistry, 2003
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Que signifient ces données pour la terre? • Système solaire
hétérogène • Chondrites servent de
référence • Planètes ≠
chondrites ?
Ensta3te chondrites
Ordinary chondrites
Earth
Carbonaceous chondrites Data from:
Gannoun et al (2011, PNAS) Carlson et al (Science, 2007) Andreasen & Sharma (Science, 2006) Boyet and Carlson (2005, Science) Jacobsen & Wasserburg (EPSL, 1984)
142µNd
146Sm-‐>142 Nd t1/2= 103 My
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Lay, Hernlund, BuffeD, 2008
Bilan thermique de la terre dépend du modèle de référence
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• Introduction dans les années70-80 par les géochimistes du concept de stratification du manteau avec séparation à la discontinuité de 660 km – Les MORB échantillonnent le manteau supérieur appauvri – Les OIB échantillonnent le manteau inférieur primordial
• Mais… la tomographie sismique indique que certaines plaques de subduction pénètrent dans le manteau inférieur
• Modèles géochimiques plus élaborés: • Par exemple, Boyet and Carlson (2005, Science):
– Le réservoir de faible rapport Sm/Nd serait de la crôute basaltique riche en éléments incompatibles, tombée au fond du manteau pour former une région isolée de la D”
– Le processus responsible aurait du se produire dans les premier 10Ma de la formation du système solaire pour empêcher le réservoir appauvri de dépasser la valeur actuelle observée dans les MORBs
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Convection à “une couche”
Convection à “2 couches”
D’après Albarède et Van der Hilst, 1999
“Abyssal Layer”
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Communication ou non entre le manteau supérieur et le manteau
inférieur?
Rôle de la discontinuité de 660 km
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Lebedev et al., 2002
Topographie des discontinuités sismiques due aux variations latérales de température
⇒ Estimation “sismique” de la pente de Clapeyron de la discontinuité de 660 km , ~-2 à -3.5 Mpa/K => présence d’eau dans la zone de transition
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Trois modes possibles de convection suivant la pente de Clapeyron de la discontinuité de 670 km
Fukao, 2009 D’’après Yanagisawa et al., 2005
Viscosité constante! 50% Chauffage interne
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Fukao (2009) D’après Hirose et al. (2005)
Croûte des MORBs est plus dense que le manteau ambiant dans le manteau profond
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Que nous enseigne la tomographie sismique?
• Principe de la tomographie sismique
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P S
Surface waves
SS
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Imagerie médicale
Tomographie sismique
Corps homogène
Corps avec hétérogénéités
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Dans la méthode classique, on utilise les variations dans les temps de parcours des ondes sismiques pour déterminer les régions de vitesses lentes ou rapides par rapport à un modèle de référence (par exemple, le PREM), dans le cadre de la théorie des rais – problème inverse non-linéaire qu’on linéarise, avec des itérations successives
Tomographie sismique
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Topographie
Sismicité globale 1977-1992
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P S
Ondes de surface
SS
PP
Body wave Travel time tomography:
Temps de propagation des ondes ee volume: P, PP, S, SS Arrivées d’énergie bien séparées sur les sismogrammes, mesures Des temps précises. En général: - théorie des rais - méthodes de “back-projection” - itératives - paramétrisations “locales”, par exemple en “blocs”
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Vasco and Johnson, 1998
Tomographie globale “P”
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Van der Hilst et al., 1998 Tomographie sismique “P”
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Replumaz et al., EPSL, 2005
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Honshu
410 660
±1.5 %
15
13
05
06
07
08
09
11
12
14
15
13
northern Bonin
±1.5 % 410 660
1000
Fukao and Obayashi 2011
Tomographie ondes P
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±1.5%
Tonga
Kermadec
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
±1.5%
410 660
1000
Fukao and Obayashi 2011
Tomographie ondes P
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P S SS
Surface wave
Ondes de volume P et S l’énergie se propage à travers l’intérieur de la terre Les “rais” se courbent et sont réfléchis sur les discontinuités de structure
-> Loi de Descartes (Snell’s law)
Ondes de surface l’énergie se propage le long de la surface de la terre Décroît avec la profondeur (exponentiellement) Dispersives: la vitesse de prop. dépend dela fréquence Contiennent l’énergie longue période engendrée par les séismes Grandes amplitudes dominent les sismogrammes
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Noyaux de sensibilité des ondes de Rayleigh en fonction de la profondeur à différentes périodes
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Tomographie de forme d’onde:
Top: observed seismogram Bottom: synthetic seismogram
We compute the differences between the two and “invert” to find a perturbation to the velocity model which explains them
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Woodhouse and Dziewonski, 1984
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4-8;ABC
SEM-based model – Berkeley -2010
Lekic and Romanowicz, 2011
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hofer
colder
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Bleu = rapide ~ froid Rouge = lent ~ chaud
Coupes horizontales à travers le manteau
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Amplitude rms des variations latérales des vitesses d’ondes S en fonction de la profondeur
![Page 52: 2- Les grands enjeux et la tomographie sismiquepodcastfichiers.college-de-france.fr/romanowicz-20121008...tomographie sismique Barbara Romanowicz - Cours 2012 -Chaire de Physique de](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022032712/5b9b68c809d3f2d06f8cd4e9/html5/thumbnails/52.jpg)
Spectre de puissance de 3 modèles Harvard Caltech Berkeley
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2800 km depth from Kustowski, 2006
Isotropic Vs Profondeur = 2800 km
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AB CD
Pacific Superplume
Hawaii
Romanowicz and Gung, 2002
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Méga-panache du
Pacifique et
anneau de vitesses rapides qui l’entoure
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S362ANI SAW24B16 S20RTS
Composante de la structure en “Degré 2”