La tomographie sismique ou comment observer l'intérieur de la Terre

Alors que nous sommes aujourd’hui capables d’envoyer des robots sur la planète Mars, nous ne possédons que très peu d’information concernant la structure interne de notre propre planète. Mais, comment faire pour observer l’intérieur de la Terre alors que nous ne pouvons pas nous y rendre? En utilisant la tomographie sismique.

Modèle géologique de la croûte et du manteau supérieur sur une coupe entre le Jura et la plaine du Po le long d’un axe Pontarlier / Milan

Modèle géologique de la croûte terrestre et du manteau supérieur sur une coupe entre le Jura et la plaine du Po le long d’un axe Pontarlier / Milan. En bleu la limite entre la croûte et la partie supérieure du manteau terrestre, en noir (LAB sur la cartographie des résultats) une discontinuité qui sépare la partie supérieure du manteau terrestre rigide (la lithosphère) du manteau ductile (l’asthénosphère). (Illustration adaptée par la rédaction: Fritz Schlunegger et Edi Kissling, licence CC BY 4.0)

Obtenir une image de l’intérieur de la Terre

Formée à partir des éléments tomo- (du grec τομη qui signifie «coupure») et -graphie (du grec γραφη qui signifie «écriture»), la tomographie sismique nous permet d'obtenir une image de l'intérieur de la planète grâce aux données fournies par les secousses sismiques générées lors des tremblements de terre.

Il existe deux grandes catégories de tomographie: la tomographie locale et régionale. La tomographie locale est plus précise et donne des informations sur une zone très localisée, souvent peu profonde autour d’une région d’activité sismique importante couverte par de très nombreux sismographes. Au contraire, la tomographie régionale s’intéresse aux phénomènes de plus grande profondeur et pour cela, exploite l’information obtenue lors de puissants et profonds séismes.

La tomographie nécessite des instruments de mesure très précis pour enregistrer les données et des outils de calculs performants car la quantité de données à analyser est gigantesque.

Cartographie des résultats de la tomographie sismique le long de la coupe avec les valeurs des vitesses sismiques

Cartographie des résultats de la tomographie sismique le long de la coupe avec les valeurs des vitesses des ondes sismiques. On retrouve indiquée la limite croûte-manteau en bleu et la limite asthénosphère-lithosphère en pointillé (LAB). On voit une zone de vitesse plus rapide sous les Alpes qui correspond à un enfoncement de la lithosphère sous l’asthénosphère. Les couleurs montrent la variation en pourcentage (de -5 % à +5 %) par rapport à Vp, la vitesse moyenne mesurée des ondes P (indiquée 0 sur l'échelle, en jaune), à 120 km de profondeur elle est de 8 km/s. (Illustration adaptée par la rédaction: Fritz Schlunegger et Edi Kissling, licence CC BY 4.0)

Les séismes, une source d'informations

Lors d’un tremblement de terre, différents types d’ondes se propagent dans toutes les directions dans le sol et traversent les différentes couches qui composent notre planète. Il y a les ondes de compression, nommées ondes P, plus rapides et les ondes de cisaillement, les ondes S, plus lentes. Ces dernières ne se propagent pas dans les milieux liquides.

Ces ondes peuvent être ensuite captées par des sismographes installés à la surface. L'analyse des ondes enregistrées en surface informent sur les milieux qu'elles ont parcouru le long de leur trajet.

Pour cela, il faut partir d'un modèle qui explique les observations. Par exemple que la planète Terre se compose de différentes couches que l’on peut classer selon trois catégories: la croûte, le manteau et le noyau (voir l’article intitulé Voyage au centre de la Terre). En calculant les trajets des ondes de façon théorique on en déduit leur temps d'arrivée en surface. On compare les résultats avec les observations. Si cela correspond, le modèle est bon. Sinon, on ajuste le modèle.

Presque tout est dans la vitesse

Schéma indiquant le trajet des ondes entre un tremblement de terre et les stations de mesure

Schéma indiquant le trajet des ondes entre un tremblement de terre et les stations de mesure. Selon que ce trajet passe par des zones où la vitesse des roches est plus ou moins rapide, les ondes mettrons pour arriver aux stations moins de temps, ou respectivement, plus de temps que prévu. (Illustration modifiée par la rédaction: Dossier Sagascience «GéoManips», Centre National de la Recherche scientifique)

La vitesse de propagation des ondes dépend du milieu, c’est-à-dire du type de roche qu'elles traversent. Les vitesses des ondes à la surface sont connues en faisant des mesures directes sur le terrain et en laboratoire. En laboratoire on peut également placer les roches dans les conditions de température et de pression similaire à celles qu'il y aurait à l'intérieur de la Terre.

Ainsi, en comparant les temps d'arrivées aux stations de mesures à ceux auxquels on s'attend, on peut savoir si l'onde a traversé des zones particulières, qui ont accéléré ou ralenti le trajet. En utilisant les résultats de plusieurs sources différentes (des séismes provenant de différentes directions) on peut ainsi délimiter les zones en question et trouver une explication géologique. Est-ce par exemple une remontée de matériel plus chaud ou la croûte qui s’enfonce dans le manteau?

Affiner le modèle et le valider

Il est possible d’étudier non seulement la variation de vitesse des ondes, mais aussi la forme de l’onde afin de comprendre les propriétés des zones que l’onde a traversées.

En observant la forme du signal à l'arrivée on obtient des informations supplémentaires: comment les milieux traversés ont-ils amorti les ondes?  Est-ce que le train d'ondes a traversé une zone contenant des fluides?

Les observations de la propagation des différents types d’ondes dans le sol permettent de valider, ajuster ou rejeter le modèle de départ et les résultats obtenus. Il est possible de définir des images en 2D et 3D de plus en plus précises de la structure de la Terre. Mais le résultat reste un modèle. On attend toujours le jour où l'on pourra visiter l'intérieur de la Terre autrement que dans les œuvres de science-fiction.

Le savais-tu?

  • C’est en observant que les ondes S ne se propageaient pas dans la partie externe du noyau de la Terre que la chercheuse danoise Inge Lehmann a découvert en 1936 qu’il se compose d'une partie externe liquide et d’une partie interne solide.
  • Des sismomètres ont été envoyés sur Mars pour comprendre sa structure interne. Dans ce cas–là, ce sont les impacts de météorites qui génèrent les ondes sismiques.

Un site interactif où l'on peut observer la Terre, ajouter des volcans, des tremblements de terre et visualiser des coupes tomographiques de différents endroits du globe. (Auteur: Philippe Cosentino)

Texte: Rédaction SimplyScience.ch

Sources:
Site «Objectif Terre», géophysique
Site du Centre National de la Recherche Scientifique, définition de la tomographie sismique
Schlunegger, F. & Kissling, E. Slab rollback orogeny in the Alps and evolution of the Swiss Molasse basin. Nat. Commun. 6: 8605. doi: 10.1038/ncomms9605 (2015)