MODÈLE PREM (Preliminary Reference Earth Model)

Le modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model) propose une structuration interne de la Terre sous forme de couches, ou coquilles sphériques concentriques, depuis la surface jusqu’au centre de la planète. Appelé aussi « modèle en pelures d’oignon », il a été publié en 1981. Fondé essentiellement sur les variations de vitesse de propagation des ondes sismiques traversant le globe terrestre, le PREMreprésente l’aboutissement de près d’un siècle de recherche sismologique. Il fournit la mesure des paramètres physiques dans ces différentes couches, permettant ainsi de préciser leur composition chimique et de localiser plus précisément les événements sismiques.

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 (1861-1895) 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 T_A 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 T_A = 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 T_A,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 xx^e siècle, ont donc dû repenser leurs modèles afin de mieux expliquer les temps de parcours T_A 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 xx^e 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 T_A, 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[...]