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Le retour de la lithosphère dans le manteau

Mise à jour le 25/11/2014
Par Josée Broussaud
Comment des données sismologiques permettent-elles de confirmer que la lithosphère océanique retourne dans le manteau ?

 

Connaissances (Programme 1ère  2010)

Le concept de lithosphère et d'asthénosphère

Au voisinage des fosses océaniques, la distribution spatiale des foyers des séismes en fonction de leur profondeur s'établit selon un plan incliné.

Les différences de vitesse des ondes sismiques qui se propagent le long de ce plan, par rapport à celles qui s'en écartent, permettent de distinguer : la lithosphère de l'asthénosphère.

L'interprétation de ces données sismiques permet ainsi de montrer que la lithosphère s'enfonce dans le manteau au niveau des fosses dites de subduction.

Capacités et attitudes

 Saisir et exploiter des données avec le logiciel Google Earth pour mettre en évidence la répartition des foyers des séismes au voisinage des fosses océaniques.
Comprendre comment l’interprétation de la distribution particulière des foyers des séismes permet :
- de définir la lithosphère par rapport à l’asthénosphère;
- de confirmer, dans le cadre du modèle en construction, que la lithosphère océanique retourne dans le manteau.

ggle.jpg Téléchargement et prise en main de Google Earth

 pdf.jpg  Fiche d'aide Simplifiée de Google Earth  version 5, version 6, version 7

 Un peu d'histoire :

  • 1914, Barrel développe de concept de lithosphère rigide et d’asthénosphère ductile.
  • 1935,  Wadati publie un article montrant que les foyers des séismes au Japon étaient répartis suivant un plan incliné ou plan de Wadati.
  • A partir de 1950 étude de la topographie des fonds océaniques principalement par la méthode du sonar. Le sonar détermine la profondeur d'eau en mesurant le temps nécessaire de l'aller-retour d'une onde sonore entre le bateau et le fond marin. Cela a permit la mise en évidence d'une topographie très caractéristique avec des chaines de montagne et des fosses océaniques très profondes.
  • 1955,  Benioff  poursuit les recherches de Wadati, et le plan de répartition des séismes sous les fosses est aujourd'hui connu sous le nom de zone de Wadati-Benioff.
  • 1967, Jack Oliver  et Bryan Isacks interprètent ces plans comme la trace de la lithosphère océanique retournant dans le manteau. Ces lieux de disparition de la lithosphère océanique seront appelées plus tard "zones de subduction".
  • 1990 la tomographie sismique permet de repérer des anomalies thermiques au sein du manteau

Un constat :

Il existe dans le monde des régions où l’activité géologique est particulièrement spectaculaire et malheureusement cause souvent des catastrophes naturelles dramatiques : Eruptions volcaniques explosives, séismes très violents et tsunamis, en particulier sur le pourtour de l’Océan Pacifique.
Cependant l’étude scientifique des séismes de ces régions au cours du 20ème siècle a été une clef pour comprendre l’activité géologique en profondeur.

pacifique.jpg

Un problème :

Comment des données sismologiques permettent-elles de confirmer que la lithosphère océanique retourne dans le manteau ?

Les consignes :

Utiliser les données disponibles sur Google Earth pour montrer que la lithosphère océanique retourne dans le manteau :

  • Réaliser un profil topographique soit au niveau de la fosse du Japon, soit au niveau de la fosse du Chili, soit au niveau de la fosse du Tonga. Placer sous votre profil les foyers des séismes en fonction de la profondeur puis la lithosphère. Légender précisément votre schéma. (Fosse, volcans, plaques, asthénosphère…)

  • Lister les arguments qui ont permis de définir la lithosphère par rapport à l’asthénosphère et de confirmer que la lithosphère océanique retourne dans le manteau.

Activités

 

Informations techniques

Activités proposées/Données disponibles

Eléments de réponse/Suggestions

Ouvrir le fichier : Lithosphere oceanique

(4 MB) version 11/2014.

Le fichier s'ouvre dans "Lieux temporaires"

  • Dans "Calques" décocher "Base de données primaire"
  • Dans Outils/options Choisir un facteur d'élévation adapté. (0.5 à 3)
  • Cliquer sur la flèche qui est devant Données géographiques, la fenêtre se ferme laissant plus d'espace dans la fenêtre "lieux" qui est la zone de travail.

donnees-subduction.jpg 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cliquer sur les images pour les agrandir

Répartition des foyers sismiques au voisinage des fosses océaniques

Afficher :

  • la carte topographique et bathymétrique.
  • les séismes historiques.
  • Les volcans
 
Tracer un profil topographique
  • décocher la carte topographique et tracer une droite perpendiculaire à la fosse en cliquant de gauche à droite avec le bouton gauche de la souris (Outils/règle/km). "Enregistrer", changer le nom et choisir Altitude au niveau du fond marin.
  • ou utiliser la droite AB déjà tracée. Avec le bouton droit de la souris, cliquer sur la droite et demander d'"Afficher le profil d'élévation". Zoomer et dézoomer afin d'obtenir un relief plus détaillé.
Profondeur des foyers sismiques
  • Relever la profondeur précise des foyers sismiques situés sur ou à proximité de la coupe topographique en cliquant sur les points de couleur avec la souris et les projeter sous votre profil topographique.

pdf.jpg Profil topographique en travers la fosse du Japon

pdf.jpg Profil topographique en travers la fosse du Chili

pdf.jpg Profil topographique en travers la fosse du Tonga

  • Ou mesurer la distance des épicentres à l'axe de la fosse océanique (Menu/Règle/ ligne/km) et relever la profondeur des séismes.

Observer :

  • la présence de fosses océaniques profondes sur le pourtour de l'océan Pacifique.
  • La répartition des séismes 
  • La répartition des volcans.

 Repérer la fosse à étudier (Japon, Chili ou Tonga) et tracer un profil topographique en travers de la fosse.

  •  Faire une copie d'écran avec le profil topographique, les séismes et les isobathes et l'insérer dans un document ou le coller sur une feuille de papier millimétré. Mettre des légendes.

Montrer qu'au voisinage des fosses océaniques, la distribution spatiale des foyers des séismes en fonction de leur profondeur s'établit selon un plan incliné.

 Deux possibilités :

- Projeter sous votre profil topographique les foyers des séismes qui se situent à proximité du profil.

- Utiliser un tableur pour représenter la profondeur des foyers sismiques en fonction de leur distance à l'axe de la fosse.

  • Utiliser les isobathes de la plaque plongeante pour représenter sur vos schémas la zone de Wadati-Bénioff et déterminer son pendage.
  • Légender votre schéma : fosses, plaques, lithosphère, asthénosphère...

fosse-tonga.png

Séismes historiques, volcans, isobathes de la plaque plongeante et Profil topographique au niveau de la fosse du Tonga.

fosse-tonga-correction.png

 Schéma légendé

 

benioff1.jpg

Répartition des foyers sismiques sous le Japon.

Tomographie sismique

La tomographie sismique est une méthode qui peut être assimilée à un scanner pour la Terre :
On évalue les anomalies de vitesses des ondes sismiques, aux différentes profondeurs de la Terre puis on compare par rapport à un modèle de symétrie sphérique.
- Les zones plus lentes sont interprétées comme des zones plus chaudes et moins denses.
- Les zones plus rapides sont interprétées commes des zones plus froides et plus denses.

  •   Afficher une coupe tomographique. En double cliquant  sur le nom "Topographie sismique" vous serez ainsi bien positionné.
  • Quelles informations peut-on extraire de la coupe tomographique ?

 

⇒En utilisant l'ensemble des données montrer que la lithosphère océanique retourne dans le manteau.

tomographie_japon.JPG

Tomographie sismique sous le Japon

Etude d'un séisme récent

Ouvrir le fichier :

 

 

 

 

 

 

 

donnees_11mars.jpg

 

 

Indiquer la magnitude et la profondeur du foyer sismique du séisme du 11 mars 2011.

Mesurer la distance de l'épicentre du séisme à la côte du Japon.

Quelles ont été les conséquences de ce séisme ?

 Documents  réalisés avec l'atlas Cornell :japon7.jpg

Position du MOHO  sous le Japon

japon5.jpg

Profondeur du MOHO

 Ouvrir le fichier :

Séisme au Chili 01 avril 2014

 (220 KB) version : Novembre 2014

 

 

 

 

 

 donnees_chili.jpg

Indiquer la magnitude et la profondeur du foyer sismique du séisme du 01 avril 2014.

Mesurer la distance de l'épicentre du séisme à la côte du Chili.

Quelles ont été les conséquences de ce séisme ?

 

pour aller plus loin :

Planet-Terre (ENS-Lyon)

Séisme du 11 mars 2011 au large de Sendai, ile de Honshu, Japon par Olivier Dequincey et Pierre Thomas, ENS Lyon

Qu'est-ce qui fait bouger les plaques  par Gérard Vidal, Membre du Groupe d'Experts des Programmes du Second Degré. Laboratoire de Géologie, ENS Lyon.

Quel est le moteur de la tectonique des plaques   par Xavier le Pichon  Laboratoire de Géologie, ENS Paris Henri-Claude Nataf  Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique, Grenoble.

USGS

US Geological Survey Nombreuses cartes et informations sur le séisme du 11 mars 2011

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