Sciences de la Vie et de la Terre1ère

Ondes sismiques et leurs indices
Exercices corrigés

Explorez les ondes sismiques et leurs indices : vitesse, propagation, réfraction, réflexion, détection des discontinuités, interprétation de la structure interne de la Terre avec ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(\text{indice} = \frac{\sin(i_1)}{\sin(i_2)} = \frac{v_1}{v_2}\)
Loi de Snell-Descartes
velocity
Vitesse des ondes : Variable selon le milieu
refraction
Réfraction : Changement de direction
reflection
Réflexion : Retour à la surface
index
Indices : Rapport des vitesses
source
Source
propagation
Propagation
refraction
Réfraction
detection
Détection
Exercice 1
Calculer l'indice de réfraction entre deux couches de la Terre à partir des vitesses des ondes.
Exercice 2
Appliquer la loi de Snell-Descartes à la réfraction d'une onde sismique.
Exercice 3
Expliquer la réflexion des ondes sismiques aux interfaces.
Exercice 4
Analyser comment les ondes sismiques détectent les discontinuités.
Exercice 5
Interpréter la structure interne de la Terre à partir des indices sismiques.
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Calcul de l'indice de réfraction
Définition :

Indice de réfraction sismique : Rapport entre la vitesse d'une onde dans deux milieux différents, égal à l'inverse du rapport des indices.

v1 = 6 km/s
v2 = 8 km/s
n12 = v1/v2 = 0.75
n21 = v2/v1 = 1.33
Méthode de calcul :

L'indice de réfraction entre deux milieux est défini par : n₁₂ = v₁/v₂

Où v₁ est la vitesse dans le premier milieu et v₂ dans le second.

Étape 1 : Données de l'exercice

Soit une onde P se propageant dans le manteau supérieur à v₁ = 6 km/s, puis dans le manteau inférieur à v₂ = 8 km/s.

Étape 2 : Application de la formule

L'indice de réfraction du manteau supérieur vers le manteau inférieur est : n₁₂ = v₁/v₂ = 6/8 = 0.75

Étape 3 : Interprétation

Un indice inférieur à 1 indique que l'onde accélère en entrant dans le second milieu.

Étape 4 : Calcul inverse

L'indice de réfraction du manteau inférieur vers le manteau supérieur est : n₂₁ = v₂/v₁ = 8/6 = 1.33

Règles appliquées :

• Indice = vitesse₁/vitesse₂ : Rapport des vitesses

• Indice > 1 : L'onde ralentit dans le second milieu

• Indice < 1 : L'onde accélère dans le second milieu

Réponse finale :

L'indice de réfraction entre deux couches est le rapport des vitesses : n₁₂ = v₁/v₂. Dans cet exemple, n₁₂ = 6/8 = 0.75, ce qui signifie que l'onde accélère en passant du manteau supérieur au manteau inférieur.

2 Loi de Snell-Descartes
Définition :

Loi de Snell-Descartes : n₁sin(i₁) = n₂sin(i₂), où i₁ et i₂ sont les angles d'incidence et de réfraction.

i₁ = 30°
v₁ = 5 km/s
v₂ = 7 km/s
sin(i₂) = (v₂/v₁) × sin(i₁)
i₂ = 44.4°
Étape 1 : Données de l'exercice

Une onde P arrive à l'interface entre deux couches avec un angle d'incidence i₁ = 30°. Les vitesses sont v₁ = 5 km/s et v₂ = 7 km/s.

Étape 2 : Formulation de la loi

La loi de Snell-Descartes s'écrit : sin(i₁)/sin(i₂) = v₁/v₂

Étape 3 : Calcul de l'angle de réfraction

sin(i₂) = (v₂/v₁) × sin(i₁) = (7/5) × sin(30°) = 1.4 × 0.5 = 0.7

i₂ = arcsin(0.7) = 44.4°

Étape 4 : Interprétation

L'onde se rapproche de la normale (angle diminue) car elle accélère en entrant dans le second milieu.

Application à la structure terrestre :

Angle d'incidence : Angle entre l'onde incidente et la normale à l'interface

Angle de réfraction : Angle entre l'onde réfractée et la normale

Direction de la réfraction : Vers la normale si l'onde accélère

Règles appliquées :

• sin(i₁)/sin(i₂) = v₁/v₂ : Loi fondamentale de la réfraction

• Angle vers la normale : Si l'onde accélère

• Angle s'éloigne : Si l'onde ralentit

Réponse finale :

La loi de Snell-Descartes s'applique aux ondes sismiques : sin(i₁)/sin(i₂) = v₁/v₂. Dans cet exemple, avec i₁ = 30°, v₁ = 5 km/s et v₂ = 7 km/s, l'angle de réfraction est i₂ = 44.4°.

3 Réflexion des ondes sismiques
Définition :

Réflexion sismique : Changement de direction d'une onde à une interface, avec un angle de réflexion égal à l'angle d'incidence.

Angle d'incidence = Angle de réflexion
i₁ = r₁
Coefficients de réflexion
Z₁ ≠ Z₂ → partie réfléchie
Étape 1 : Loi de la réflexion

L'angle d'incidence (i) est égal à l'angle de réflexion (r) : i = r. Cette loi s'applique à toutes les interfaces.

Étape 2 : Coefficient de réflexion

Le coefficient de réflexion dépend des impédances acoustiques des deux milieux : R = (Z₂ - Z₁)/(Z₂ + Z₁)

Où Z = ρv (densité × vitesse)

Étape 3 : Cas de la discontinuité de Moho

À l'interface croûte-manteau, la différence de densité et de vitesse est importante, entraînant une réflexion significative des ondes.

Étape 4 : Ondes réfléchies multiples

Les ondes peuvent être réfléchies plusieurs fois entre différentes couches, créant des phases multiples sur les sismogrammes.

Règles appliquées :

• Angle d'incidence = Angle de réflexion : Loi fondamentale

• Intensité dépend des impédances : Plus la différence est grande, plus la réflexion est forte

• Réflexions multiples : Indication de structures en couches

Réponse finale :

À une interface, une onde sismique est partiellement réfléchie avec un angle de réflexion égal à l'angle d'incidence. L'intensité de la réflexion dépend de la différence d'impédance acoustique entre les deux milieux.

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Détection des discontinuités
Définition :

Discontinuité sismique : Interface entre deux couches de la Terre où les propriétés physiques changent brusquement, provoquant des changements dans les ondes sismiques.

Moho : 5-70 km
Gutenberg : 2900 km
Lehmann : 5150 km
Changements de vitesse
Arrêt des ondes S
Étape 1 : Changement de vitesse

Quand une onde traverse une interface entre deux couches de propriétés différentes, sa vitesse change brusquement, ce qui est détecté par les sismographes.

Étape 2 : Discontinuité de Mohorovičić

Sépare la croûte du manteau. L'augmentation de vitesse des ondes P (de ~6 à ~8 km/s) indique un changement de composition.

Étape 3 : Discontinuité de Gutenberg

Sépare le manteau du noyau. L'arrêt des ondes S (car le noyau externe est liquide) et le changement de direction des ondes P indiquent la présence d'un matériau liquide.

Étape 4 : Discontinuité de Lehmann

Sépare le noyau externe liquide du noyau interne solide. Changement de vitesse des ondes P et S.

Méthodes de détection :

Changements de vitesse : Indication de changement de composition ou de densité

Arrêt des ondes S : Indication de présence de matériau liquide

Changements de direction : Réfraction selon la loi de Snell-Descartes

Règles appliquées :

• Changements de pente : Sur les courbes de temps-distance

• Arrêt des ondes S : Indique la présence de matériau liquide

• Reproduction planétaire : Les discontinuités sont reproductibles à l'échelle mondiale

Réponse finale :

Les discontinuités sont détectées par des changements brusques de vitesse des ondes sismiques. La discontinuité de Moho sépare croûte et manteau, celle de Gutenberg sépare manteau et noyau (avec arrêt des ondes S), et Lehmann sépare noyau ext./int.

5 Interprétation de la structure interne
Définition :

Tomographie sismique : Technique permettant de reconstruire la structure interne de la Terre en analysant la propagation des ondes sismiques.

Modèle PREM
Vitesses attendues
Anomalies de vitesse
Température et composition
Densité
Étape 1 : Modèles de référence

On utilise des modèles de vitesse attendue (comme le modèle PREM - Preliminary Reference Earth Model) pour comparer avec les vitesses observées.

Étape 2 : Anomalies de vitesse

Les écarts entre les vitesses observées et attendues indiquent des variations de température, composition ou état physique des matériaux.

Étape 3 : Interprétation thermique

Les basses vitesses indiquent des zones chaudes (ascendances convectives), les hautes vitesses des zones froides (descendances).

Étape 4 : Interprétation compositionnelle

Les variations de vitesse peuvent aussi indiquer des changements de composition chimique ou de phase minéralogique.

Applications de la tomographie :

Plumes mantelliques : Zones de basses vitesses (chaudes)

Plaques subduites : Zones de hautes vitesses (froides)

Frontières de phase : Changements brusques de vitesse

Règles appliquées :

• Relations vitesses-densité : Haute densité = haute vitesse

• Relations température-vitesse : Haute température = basse vitesse

• Modélisation inverse : Reconstruction de la structure à partir des données

Réponse finale :

La structure interne de la Terre est interprétée en comparant les vitesses des ondes observées avec celles attendues. Les anomalies de vitesse révèlent des variations de température, composition et densité, permettant de cartographier la structure interne.

Cours bien détaillé
\(\frac{\sin i_1}{\sin i_2} = \frac{v_1}{v_2}\)
Loi de Snell-Descartes
velocity
Vitesse des ondes : Variable selon le milieu traversé.
refraction
Réfraction : Changement de direction à une interface.
reflection
Réflexion : Retour à la surface avec i = r.
index
Indices : Rapport des vitesses entre milieux.
💡
Conseil : Plus la différence de vitesse est grande, plus la réfraction est marquée
🔍
Attention : L'arrêt des ondes S indique la présence de matériau liquide
⚡
Astuce : Les anomalies de vitesse révèlent des structures thermiques
📋
Méthode : Comparer vitesses observées et attendues
✅
Clé : Les indices sismiques révèlent la structure interne de la Terre
Méthodes d'analyse sismique :
  • Calcul des indices : Rapport des vitesses entre milieux
  • Application de Snell-Descartes : Réfraction des ondes
  • Analyse des réflexions : Étude des ondes réfléchies
  • Tomographie sismique : Reconstruction 3D de la structure
Lois fondamentales :
  • La vitesse des ondes dépend des propriétés physiques du matériau
  • Les ondes se réfractent selon la loi de Snell-Descartes
  • Les ondes se réfléchissent avec un angle égal à l'angle d'incidence
  • Les discontinuités sont détectées par des changements de vitesse
Définitions clés :
  • Indice de réfraction : Rapport des vitesses entre deux milieux
  • Impédance acoustique : Produit de la densité par la vitesse
  • Tomographie : Reconstruction d'image à partir de mesures indirectes
  • Anomalie de vitesse : Écart par rapport au modèle attendu