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Le modèle PREM, pour Preliminary Reference Earth Model (Modèle de référence terrestre préliminaire), a été développé en 1981 par Dziewonski et Anderson. Il s'agit d'un modèle de vitessevitesse des ondes sismiques qui va de la surface jusqu'au centre de la Terre. Ce modèle permet d'expliquer au premier ordre l'architecture des couches terrestres et notamment les zones de transition existant au sein du manteau. Il rend donc compte de la structure hétérogène verticale de la Terre.
Grâce à l’analyse de la vitesse de propagation des ondes sismiques à travers le globe, les géophysiciens ont en effet identifié l'existence de plusieurs zones où la vitesse des ondes variait de manière significative.
Une zone de faible vitesse sismique au sein du manteau
Si globalement la vitesse des ondes augmente graduellement avec la profondeur, les études sismologiques ont en effet révélé la présence d'une zone à faible vitesse (LVZ, Low Velocity Zone) pour les ondes P et S dans le manteau supérieur, entre 125-140 km et 235 km de profondeur. Alors que de la surface jusqu'à 125 km environ la vitesse des ondes augmente très rapidement, elle diminue brusquement dans la partie supérieure cette zone avant de se remettre à augmenter de manière plus lente. Cette particularité a permis de définir deux nouvelles enveloppes terrestres : la lithosphère et l'asthénosphère.
La lithosphère se définit ainsi comme la couche supérieure de la Terre et comporte la croûte et la partie la plus superficielle du manteau. C'est une enveloppe rigide. La diminution des vitesses sismiques au niveau de la LVZ marque par contre un changement rhéologique, attribué à une fusion partielle du manteau terrestremanteau terrestre. Ainsi, vers 125 km de profondeur, 1 % du manteau environ se met à fondre sous l'effet des conditions de pressionpression-température. C'est bien ce changement qui définit la transition avec l'asthénosphère, couche de manteau située sous la lithosphère et qui s'étend jusqu'à 220-235 km de profondeur.
Mésosphère et différenciation manteau supérieur-manteau inférieur
La base de la LVZ représente donc la base de l'asthénosphère, qui laisse la place à la mésosphèremésosphère. Cette dernière représente une couche à nouveau plus rigide que l'asthénosphère. Elle s'étend jusqu'au noyau externe (2 900 km de profondeur) mais l'étude des vitesses sismiques a montré que ce n'était cependant pas une enveloppe homogène. En effet, entre 400 km et 670 km de profondeur se trouve ce que l'on appelle la zone de transition. Cette zone est caractérisée par une forte augmentation de la vitesse des ondes sismiques. Cette variation de l'architecture des vitesses serait liée à un réarrangement de la structure atomique de l'olivineolivine, le minéralminéral constituant principalement le manteau. En effet, vers 400 km de profondeur, les atomesatomes constituant les cristaux d'olivine (Si, O, Fe, Mg) vont s'arranger de manière différente afin de réduire la distance inter-atomique. Cette modification minéralogique intervient en réponse à l'augmentation de la pression et va former un nouveau minéral à la structure atomique plus dense : le spinellespinelle.
Cette densification de la matièrematière fait que les ondes se propagent plus rapidement dans le spinelle que dans l'olivine, ce qui explique l'augmentation des vitesses sismiques vers 400 km de profondeur. La structure minéralogique du spinelle reste ainsi stable jusqu'à une profondeur de 650-700 km, profondeur à laquelle va se produire un nouveau changement de phase minéralogique. La pression toujours plus élevée va en effet pousser les atomes à se réarranger de manière encore plus dense et le spinelle se transforme ainsi en pérovskitepérovskite. La pérovskite est un minéral qui n'est stable qu'à très haute pression. Cette limite inférieure de la zone de transition, vers 670 km, caractérisée par la transformation des spinelles en pérovskites, a permis de définir la limite entre le manteau supérieur et le manteau inférieur.
Discontinuité de Gutenberg et couche D’’
La base de ce dernier est définie par une nouvelle zone présentant des caractéristiques sismiques remarquables. En effet, vers 2 900 km de profondeur se produit un changement minéralogique et rhéologique majeur qui marque le passage entre le manteau et le noyau externe. Alors que le manteau inférieur est solidesolide et permet la propagation des ondes P et S, le noyau, constitué majoritaire de fer, a les propriétés d'un liquideliquide. Cette caractéristique physiquephysique empêche la propagation des ondes S (de cisaillement). Cette disparition brutale des ondes S marque donc la discontinuité de Gutenbergdiscontinuité de Gutenberg (2 900 km), soit la transition entre le manteau et le noyau externe. Les ondes S ne sont pas les seules à être impactées par ce changement de conditions plutôt drastique. Les ondes P, si elles continuent bien de se propager dans le noyau externe, subissent une chute très importante de vitesse au niveau de la limite manteau/noyau.
Le modèle PREM définit également une zone complexe, d'environ 100 km d'épaisseur au voisinage de la discontinuité de Gutenberg. Connue sous le nom de couche D'', elle se caractérise par un fort gradientgradient thermique et est le siège d'importantes instabilités à l'origine des panaches mantelliquespanaches mantelliques qui remontent vers la surface pour former les points chaudspoints chauds. Les instabilités thermiques de la couche D'' pourraient être associées à l'arrivée de matériel lithosphériquelithosphérique froid ayant plongé dans le manteau au niveau des zones de subductionzones de subduction.
Enfin, le modèle PREM décrit encore la transition entre le noyau externe et le noyau interne (la graine), composée de ferfer solide. Cette transition est marquée par la discontinuité de Lehman (5 150 km), qui s'accompagne par une légère augmentation de la vitesse des ondes P et la réapparition des ondes S.
