La dynamique interne de la Terre

Partie 2 : la dynamique interne de la Terre

Chapitre 1 : la structure de la planète Terre

La Terre est la 3ème planète tellurique (rocheuse) du système solaire). C’est la plus grosse planète tellurique avec un diamètre de 12800 km (contre 12100 pour Vénus, 6800 pour Mars, 4800 pour Mercure). La Terre se caractérise par une activité externe (mouvement de l’atmosphère et de l’hydrosphère) mais aussi une activité interne (tectonique des plaques) très intenses.

Problématique : Comment caractériser les enveloppes terrestres et identifier leur fonctionnement ?

I – L’apport de la sismologie

        A. Les séismes et ondes sismiques Les séismes et ondes sismiques

Un séisme résulte de la libération brutale d’énergie lors d’une rupture de roches soumises à des contraintes. Les ondes sismiques libérées se propagent à partir du foyer dans toutes les directions.

On distingue plusieurs types d’ondes sismiques :

 - Les ondes P (premières) de compression, les plus rapides, se propagent dans les solides et les liquides... Le déplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par dilatation et compression successives, parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Ce sont les plus rapides (6 km.s-1 près de la surface) et sont enregistrées en premier sur un sismogramme. Elles sont responsables du grondement sourd que l'on peut entendre au début d'un tremblement de terre.

-Les ondes S (secondes) de cisaillement ne se propagent que dans les solides. A leur passage, les mouvements du sol s'effectuent perpendiculairement au sens de propagation de l'onde. Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides. Leur vitesse est plus lente que celle des ondes P (4 km/s) et elles apparaissent en second sur les sismogrammes.

-Les ondes de surface(Ondes L et R) : ce sont des ondes guidées par la surface de la Terre. Leur effet est comparable aux rides formées à la surface d'un lac. Elles sont moins rapides que les autres  mais leur amplitude est généralement plus forte. Elles sont responsables des dégâts causés aux édifices, ce sont les plus destructrices.

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Document 1 : Schéma des différents types d’ondes

B. Les discontinuités profondes

La vitesse de propagation des ondes sismiques dépend de la nature des roches traversées, de leur rigidité et de leur température. Les ondes sont réfléchies ou réfractées quand elles passent d’un milieu à un autre. La surface de contact entre les deux milieux est appelée discontinuité.

Ces études permettent d’identifier les limites et discontinuités pouvant exister entre les enveloppes terrestres mais aussi de déterminer les caractéristiques des enveloppes traversées.

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Document 2 : Graphique des vitesses des ondes sismiques et des caractéristiques des enveloppes

L’étude de la propagation des ondes sismiques a permis de mettre en évidence les grandes discontinuités du globe terrestres :

-Le MOHO correspond à la discontinuité qui sépare la croûte du manteau (découvert en 1909) à environ 30 km de profondeur.

-La discontinuité de Gutenberg sépare le manteau et le noyau à 2900 km de profondeur environ. La disparition des ondes S et la présence d’une zone d’ombre sismique pour les ondes P permet de dire que le compartiment situé en dessous est liquide.

-La discontinuité de Lehman sépare le noyau externe (liquide) du noyau interne solide (la graine) présente à une profondeur de 5100 km.

Ces études montrent que la Terre est solide jusqu’à 2900 km de profondeur.

C. Les couches

L’identification des 3 discontinuités terrestres permet de décrire les 4 enveloppes principales de la Terre :

La croûte (de 0 à 30 km) qui est solide cassante et composée de roches comme les granites (dans la croûte continentale) ou les gabbros (croûte océanique).

Le manteau supérieur (30 à 670 km) et le manteau inférieur (670 km à 2900 km) qui sont solides et composé de péridotite , avec une densité  plus important que la croûte. Cela explique l’augmentation brutale de vitesse des ondes P à la limite croûte-manteau. Les manteaux supérieur et inférieur sont délimités par une limite moins bien définie qui n’est pas considérée comme une discontinuité (c’est une zone de transition).

Le noyau externe (2900 à 5100 km) qui est liquide et composé de fer et de nickel.

Le noyau interne ou graine (5100 à 6400 km) qui est solide et également composé de fer et nickel.

Tout ceci a permis de construire le modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model).

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Document 3 : Structure générale du globe montrant les discontinuités et principales enveloppes

II. Des contrastes importants entre continent et océans

1. Lithosphère et asthénosphère

L’étude de la vitesse des ondes sismiques en fonction de la profondeur montre une diminution des vitesses pour des profondeurs supérieures à 100 km, et sur une épaisseur d’environ 200 km : c’est la LVZ (Low Velocity Zone) ou zone de faible vitesse. La diminution de vitesse dans cette zone permet de dire que la péridotite est plus « molle » : on parle de compartiment ductile On sépare deux milieux au comportement mécanique différent :

- La lithosphère, entre 0 et 100 km, est l’ensemble rigide situé au-dessus de la LVZ formé par la croûte (continentale ou océanique) et la partie du manteau rigide (= manteau lithosphérique). Elle est rigide et cassante. La croûte continentale est plus épaisse que la croûte océanique. Elle se termine par la limite thermique :l’isotherme 1300°C.

- L’asthénosphère, de 100 à 670 km de profondeur, est composée d’une partie du manteau supérieur. La partie supérieure de l’asthénosphère est la LVZ (100 à 400 km env) qui est « molle » et qui permet à la lithosphère de se déplacer sur l’asthénosphère.

1. Lithosphère continentale et océanique

La lithosphère peut être différenciée en 2 domaines selon le type de croûte :

-le domaine continental contient la croûte continentale (30 km d’épaisseur). Hétérogène , elle est composée principalement de granite, une roche magmatique constitue de quartz, feldspath et mica noir (biotite), mais également de roches sédimentaires et métamorphiques ;

-le domaine océanique contient la croûte océanique (8 km d’épaisseur), de la surface vers la profondeur, de sédiments, de basaltes en coussins, de basaltes en filons, puis de gabbros. Les basaltes et les gabbros sont des roches magmatiques constituées de pyroxènes, d'olivines et de feldspaths plagioclases. Dans les gabbros, toute la roche est cristallisée et les minéraux sont visibles à l’œil nu (structure grenue). Dans les basaltes, on observe des minéraux non visibles à l’œil nu (microlites) et du verre (pâte non cristallisée). C’est une structure microlitique.

Remarque : les croûtes comprennent également d’autres roches diverses comme :

-les roches sédimentaires qui se forment suite à l’érosion et la formation de particules (sédiments) qui se déposent et forment des strates (couches). Ex : calcaires, marnes, grès…

-les roches métamorphiques qui se transforment à l’état solide à cause de variations de pression et de température.

Le manteau (lithosphérique et asthénosphérique) est composé du même type de roche : la péridotite (roche mantellique) composée de pyroxène et d’olivine.