MODÈLE PREM (Preliminary Reference Earth Model)

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Vers un modèle quantitatif en couches

La Terre, seule planète habitée connue à ce jour, est unique par ses caractéristiques physiques, chimiques et biologiques. Son intérieur a longtemps été inaccessible, donc très difficile à comprendre puisque invisible, étant opaque aux ondes lumineuses. Pourtant, l’homme a perçu depuis longtemps que les causes des manifestations violentes de notre planète, sous forme de tremblements de terre et d’éruptions volcaniques, sont à rechercher dans sa dynamique interne. Tout a changé le jour où Ernst von Rebeur-Paschwitz (1861-18995) enregistre, en 1889 à Potsdam (Allemagne), les premières ondes sismiques émises par un tremblement de Terre situé au Japon, à plus de 10 000 kilomètres de distance. C’est la naissance d’une nouvelle discipline scientifique, la sismologie, qui peut commencer à sonder l’intérieur de notre planète puisqu’elle la rend en quelque sorte transparente en détectant les ondes sismiques.

La sismologie est une discipline observationnelle qui utilise des instruments appelés sismomètres pour mesurer et enregistrer les mouvements du sol, même extrêmement faibles. Plus besoin d’avoir à installer des instruments précisément dans les zones sismiques car, même à grande distance, les sismomètres peuvent enregistrer les ondes qui se sont propagées à grande profondeur dans l’intérieur de la Terre.

Le principe de mesure est simple : le temps d’arrivée TA des ondes à la station de mesures est égal à la distance L parcourue par l’onde à une vitesse V entre la source à l’instant T0 et la station. Dans un modèle de Terre homogène, on a ainsi la relation TA = T0 + L/V. Si on connaît le temps T0 et la localisation du séisme (c’est-à-dire L), on détermine, en mesurant le temps d’arrivée TA, la vitesse moyenne entre les deux points. Évidemment, la Terre n’est pas homogène et le trajet des ondes sismiques n’est pas rectiligne. Les sismologues, dès le début du xxe siècle, ont donc dû repenser leurs modèles afin de mieux expliquer les temps de parcours TA des ondes enregistrés dans les différentes stations de mesures. Ils ont constaté qu’une bonne approximation de la structure de la Terre était un modèle constitué de couches concentriques. La plus grande partie de la première moitié du xxe siècle a été consacrée à l’identification de ces différentes couches : la croûte, le manteau, le noyau externe à 2 900 kilomètres de profondeur et, enfin, le noyau interne solide (1 200 km de rayon) au cœur de notre planète. Il a fallu déterminer leur épaisseur en précisant la profondeur des deux discontinuités qui délimitent chacune d’elles. Dans une couche donnée, les paramètres physiques ne dépendent que de la distance au centre de la Terre. Ainsi, tous les points situés à une même distance du centre de la Terre, c’est-à-dire localisés sur un cercle de rayon r, présentent les mêmes caractéristiques. On parle alors de modèle 1D à symétrie sphérique. Pour calculer précisément les temps de parcours des ondes TA, le besoin d’avoir un modèle de référence s’est donc très vite fait sentir, non seulement pour comprendre la structure de la Terre, mais aussi pour localiser et quantifier les séismes.

Les sismologues se sont rendu compte qu’il y avait deux types fondamentaux d’ondes sismiques, dites ondes de volume : les ondes de compression-décompression, nommées P (primaires), qui sont similaires aux ondes acoustiques ; et les ondes de cisaillement S (secondaires), qui n’existent que dans la matière solide. Les ondes S, en cisaillant la matière, sont la cause principale des dégâts provoqués lors des tremblements de terre. En se combinant, les ondes P et les ondes S donnent aussi naissance à d’autres types d’ondes, les ondes de surface (ondes de Rayleigh et de Love). Les ondes P ont une vitesse de propagation (VP) plus élevée que les ondes S (de vitesse VS). Dans le cas le plus simple du modèle en pelures d’oignon, trois paramètres physiques sont importants et ne dépendent que d’une seule variable, la distance r au centre de la Terre : la masse volumique ρ(r) et les deux vitesses sismiques VP(r) et VS(r).

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Écrit par :

  • : professeur des Universités, responsable des relations internationales, Institut de physique du globe de Paris, membre senior de l'Institut universitaire de France

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Jean-Paul MONTAGNER, « MODÈLE PREM (Preliminary Reference Earth Model) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 14 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/modele-prem-preliminary-reference-earth-model/