Tomographie sismique et structure de la Terre

En inversant les temps de trajet et les formes d'onde des ondes sismiques, les sismologues construisent des images tridimensionnelles de l'intérieur de la Terre, révélant la croûte, le manteau et le noyau, ainsi que les anomalies de vitesse qui cartographient la convection et la tectonique.

Definition

La tomographie sismique est la méthodologie de problème inverse qui reconstitue des images tridimensionnelles de la vitesse sismique à l'intérieur de la Terre à partir de vastes ensembles de mesures de temps de trajet et de formes d'onde, et qui, conjointement avec des modèles de référence unidimensionnels, définit notre connaissance de la structure interne de la Terre.

Scope

Ce sujet couvre la détermination de la structure interne de la Terre à partir d'observations sismiques : la découverte des principales discontinuités (Moho, limite noyau-manteau, noyau interne), les modèles de référence de la Terre, et l'inversion tomographique des données de temps de trajet et de formes d'onde pour les variations de vitesse tridimensionnelles. Il aborde la tomographie par ondes de volume et ondes de surface, la résolution et la régularisation des problèmes inverses mal posés, ainsi que l'interprétation des anomalies de vitesse en termes de température, de composition et d'écoulement. L'accent est mis sur l'imagerie de l'intérieur plutôt que sur la source.

Core questions

• Comment les principales discontinuités internes de la Terre ont-elles été découvertes sismiquement ?
• Comment les temps de trajet et les formes d'onde sont-ils inversés pour déterminer la structure de vitesse tridimensionnelle ?
• Qu'est-ce qui limite la résolution des images tomographiques, et comment l'inversion est-elle stabilisée ?
• Comment les anomalies de vitesse sont-elles interprétées en termes de température, de composition et d'écoulement ?

Key concepts

• Modèles de référence de la Terre et structure de vitesse radiale
• Discontinuité de Mohorovicic, limite noyau-manteau et noyau interne
• Tomographie par ondes de volume et ondes de surface
• Problèmes inverses, régularisation et résolution
• Anomalies de vitesse comme indicateurs de la température et de la composition

Key theories

Modèle de référence de la Terre stratifié

Des décennies de données de temps de trajet ont été synthétisées en des modèles de référence à symétrie sphérique, tels que le PREM, qui spécifient la vitesse, la densité et l'atténuation en fonction de la profondeur, fournissant ainsi la base de référence par rapport à laquelle les anomalies tridimensionnelles sont mesurées.

Inversion tomographique

La tomographie sismique traite l'imagerie comme un problème inverse linéarisé, reliant les perturbations des temps de trajet ou des formes d'onde observés aux perturbations de vitesse le long des trajets des rayons ou des noyaux de sensibilité, et résolvant le système régularisé pour reconstituer la structure tridimensionnelle.

Mechanisms

La vitesse sismique dépend des modules élastiques et de la densité des roches, qui varient avec la température, la composition, la phase et la présence de magma ou de fluides ; un matériau froid et dense est généralement rapide, tandis qu'un matériau chaud ou partiellement fondu est lent. Ainsi, une image de vitesse inversée à partir de nombreux trajets de rayons croisés devient une carte proxy de l'état thermique et compositionnel de l'intérieur.

Clinical relevance

Les images tomographiques du manteau contraignent la localisation des plaques subductées et des panaches ascendants, relient l'intérieur aux mouvements des plaques et au volcanisme de point chaud, et, à l'échelle crustale, soutiennent les études sur les risques et les ressources ; les modèles de référence servent de base à la localisation des séismes à l'échelle mondiale.

History

Mohorovicic a identifié la limite croûte-manteau en 1909, Gutenberg a localisé la limite noyau-manteau, et Lehmann a découvert le noyau interne en 1936 ; le modèle de référence préliminaire de la Terre (PREM) de 1981 et l'essor de la tomographie computationnelle dans les années 1980 ont ouvert l'ère de l'imagerie tridimensionnelle de la Terre profonde.

Key figures

• Inge Lehmann
• Andrija Mohorovicic
• Adam Dziewonski
• Don Anderson

Seminal works

• dziewonski1981
• nolet2008
• lehmann1936

Frequently asked questions

En quoi la tomographie sismique est-elle similaire à un scanner médical ?

Les deux techniques reconstruisent une image interne à partir de nombreuses mesures effectuées le long de trajets qui traversent le corps dans différentes directions ; en tomographie sismique, les rayons sont des ondes sismiques et la quantité imagée est la vitesse des ondes, qui varie avec la température et la composition de la roche.

Comment savons-nous que la Terre possède un noyau interne solide ?

Inge Lehmann a découvert en 1936 que certaines ondes sismiques atteignant le côté opposé de la Terre ne pouvaient s'expliquer que si le noyau externe liquide entourait un noyau interne solide distinct qui réfractait les ondes différemment, une structure confirmée depuis par de nombreuses autres observations.