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Pr Barbara Romanowicz

© P. Imbert, Collège de France

1Je vais présenter les progrès en matière d’imagerie sismique à l’échelle globale,  mon domaine particulier de recherche.

2Je ne parlerai ici que de l’imagerie du manteau, laissant de côté celle du noyau et surtout de la graine solide. L’imagerie sismique est incontestablement la méthode la plus performante pour « voir » à l’intérieur de la terre. Elle a pour outil les ondes élastiques émises par les tremblements de terre partout dans le monde et enregistrées par des capteurs d’ondes, ou sismomètres, très sensibles, capables de détecter des déplacements de l’ordre du micron, qui correspondent à des séismes de magnitude supérieure à 5, à des distances pouvant aller jusqu’aux antipodes. Ces ondes illuminent l’intérieur du globe : d’une part, comme la lumière, elles se réfléchissent, se convertissent ou se réfractent sur les obstacles rencontrés, d’autre part, la vitesse avec laquelle elles se propagent ainsi que leurs amplitudes sont modifiées au cours de leur passage, selon l’état physique de la matière qu’elles rencontrent. En combinant les enregistrements de nombreux séismes dans de nombreuses stations tout autour du globe, on peut réaliser, par des méthodes dites « tomographiques », similaires à celles employées en médecine (échographie, IRM...), des images en trois dimensions de l’intérieur de la terre. À la différence des méthodes médicales cependant, en tomographie, nous ne contrôlons pas la distribution des sources de vibrations (principalement situées le long des bordures des plaques tectoniques) et nous sommes aussi fortement limités dans la distribution des stations  : outre les considérations logistiques et politiques, deux tiers de la surface du globe sont couvertes par l’océan, les îles sont relativement peu nombreuses, l’installation de stations sismiques de qualité en fond de mer représente encore des difficultés considérables d’ordre technique et financier. Il est donc nécessaire de développer des techniques sophistiquées pour extraire le plus d’information possible des enregistrements sismiques : c’est actuellement l’un des grands enjeux de la recherche de pointe. Fort heureusement, les enregistrements sismiques sont très riches en information. Tout d’abord, il y a deux types d’ondes sismiques : les ondes de compression (dites « ondes P ») et les ondes de cisaillement (dites « ondes S »), ces dernières ne se propageant pas dans les liquides. C’est ainsi d’ailleurs, que, grâce aux observations d’ondes sismiques en fonction de la distance à la source, nous avons la certitude, depuis les travaux d’Oldham en 1906 et ceux qui ont suivi dans la première moitié du xx^e siècle, du caractère liquide de la partie externe du noyau de la terre.

3Des variations plus subtiles dans les observations nous ont successivement montré l’existence d’une graine solide (Lehmann, 1936) et de discontinuités de structure présentes à l’échelle globale dans le manteau dit « supérieur », à 400 et 660 km de profondeur. En particulier, la confrontation avec la physique des matériaux a permis de déterminer que ces discontinuités correspondent à des changements de structure cristalline des minéraux sous l’effet de la pression – dits « changements de phase » – vers des structures de plus en plus compactes. La discontinuité située à 660km, qui marque la limite entre le manteau « supérieur » et « inférieur », est sans doute également une barrière mécanique qui rend difficile, mais non impossible, le transfert de matière entre les deux parties du manteau.

4Les ondes sismiques sont riches également dans leur contenu fréquentiel. Les ondes de plus longue période (la vibration la plus grave a une période de 54 mn) se propagent sous la forme d’ondes de surface qui font le tour de la terre de nombreuses fois. En interférant entre elles, elles produisent des ondes stationnaires, les modes propres de la terre, dont le spectre –l’ensemble des fréquences – est caractéristique de la structure interne. Avec tous ces outils, nous avons depuis longtemps une idée précise de la structure moyenne de la terre (les premiers modèles fiables datant de la fin des années 1940), c’est à dire une structure en pelure d’oignon où l’on rencontre successivement, en fonction de la profondeur, la croûte et le manteau solide, composés principalement de silicates, puis le noyau liquide composé d’un alliage de fer et de nickel, et enfin la graine solide, composée de fer cristallin encore plus pur.