THÈME 1B : LA DYNAMIQUE INTERNE DE LA TERRE

Problématique générale : Comment les méthodes actuelles des Géosciences permettent de construire une approche scientifique de la dynamique terrestre ?

Chapitre 1 : la structure interne de la Terre

Durant des siècles, les idées sur les profondeurs de la terre ont donné lieu à de nombreuses spéculations et publications scientifiques et littéraires. Les connaissances ont été peu à peu affinées grâce à des méthodes d’études indirectes et au développement de nouvelles techniques.

Problématique : comment découvrir la structure interne de la Terre ?

I. La courbe bimodale révèle un contraste océan-continent confirmé par l’étude des roches.

A. Historique sur la structure interne de la terre

La théorie des ponts continentaux de Suess : une pomme séchée !

 

Jusqu’à la fin du 20^ème siècle, la théorie fixiste des ponts continentaux expliquait les mouvements de la croûte terrestre, une seule croûte fixe sur le plan horizontal et de même composition. Ainsi les géologues comme Suess pensaient que :

• Les continents ont une position immuable
• En se refroidissant la Terre se rétracte « comme une pomme qui se dessèche » de manière aléatoire et ce serait là, l’origine des plissements (chaines de montagne) et des effondrements (bassins océaniques) ; les mouvements seraient donc verticaux.

La théorie de la Dérive des Continents : au début du 20^ième siècle, Wegener fait plusieurs constatations :

Les arguments de Wegener

• Les tracés des côtes des continents, séparés actuellement, présentent une certaine complémentarité de forme. Cet argument soutient l'idée d'un  rassemblement des continents en un très grand et unique, appelé la Pangée, qui se serait par la suite fracturé et dont les blocs continentaux auraient migré horizontalement.
• La distribution géographique des paléoclimats et de certains fossiles témoignent d’une certaine continuité passée entre certains continents aujourd’hui séparés par des océans.
• La présence de traces de glaciers dans des continents situés près de l’équateur actuellement et pas autour, montre que ces continents ne pouvaient pas occuper la place qu’ils ont aujourd’hui et qu’ils se sont déplacés horizontalement depuis.

De l’ensemble de ces constats, Wegener en déduit un nouveau modèle basé sur la mobilité horizontale des continents, la théorie de la Dérive des Continents. Selon cette théorie, les blocs continentaux légers (SiAl) flotteraient et dériveraient horizontalement sur un substrat liquide, plus dense le manteau appelé le Sima et ayant une composition différente de la croute continentale. Ce modèle qui implique que le manteau soit liquide est détruit par l’argument des ondes sismsiques S par ses détracteurs.
convaincu que la théorie des ponts continentaux est fausse aussi, il s’évertue à le démontrer. Il procède à l’interprétation de la courbe bimodale des altitudes.

B. la courbe bimodale et le contraste des deux croûtes.

Répartition bimodale des altitudes/profondeurs de la surface de la terre.

Raisonnement de WEGENER : Si la croute avait la même nature partout, les différences d’altitude dues au refroidissement thermique seraient égales en altitude et en profondeur : on aurait une courbe unimodale. Or la courbe des altitudes est bimodale. Il en déduit que la différence d’altitude observée entre continents et océans d’après la courbe bimodale, reflète un contraste géologique entre croute continentale et océanique.

La théorie de La Dérive des Continents de Wegener est rejetée également puis abandonnée dans les années 1920 elle ne sera jamais validée. Cependant, l'idée d'une mobilité horizontale sera conservée et se retrouvera dans la théorie actuelle de la Tectonique des plaques et l'idée des deux croûtes distincts sera confirmée par l'étude pétrologique. 
 

II. Une nouvelle interprétation grâce à de nouvelles techniques

Problématique : Comment caractériser et vérifier que les roches de la croûte continentale sont différentes de celles de la croûte océanique ?

A. Caractérisation des deux types de croûtes par l’étude des roches

TP  : distinction des deux types de croutes par l'étude pétrologique.

D’après la carte de France au millionième, la composition de la croûte continentale présente une certaine hétérogénéité visible en surface : roches magmatiques, sédimentaires, métamorphiques.

        

       Roche sédimentaire (Calcaire) et roche métamorphique (gneiss) à l'oeil nu.

Mais les outils actuels nous permettent d’interpréter les structures plus profondes et révèlent que les granites sont les roches les plus représentatives de la croute continentale.
Au niveau de la croute océanique, deux roches sont très abondantes au-dessous des roches sédimentaires qui les recouvrent : le basalte et le gabbro.

 

Bilan : 

• La croûte continentale est essentiellement composée de granites de densité 2,7. Ce sont des roches magmatiques plutoniques composées essentiellement de quartz, feldspaths et micas et à la texture grenue.
• Les roches retrouvées en croûte océanique sont plus denses, 2,9, il s’agit de basalte de texture microlitique (roche volcanique) et de gabbros de texture grenue (roche plutonique). Ces dernières contiennent de l’olivine et des pyroxènes donc ont la même composition mais les processus magmatiques diffèrent ; le basalte est issu d’un refroidissement rapide alors que le gabbro provient d’un refroidissement lent en profondeur.

B. Caractérisation de la structure interne de la Terre par l’étude des ondes sismiques : le modèle PREM

1. propriétés des ondes : trajectoires et vitesses

TP les ondes sismiques 

Le déplacement des ondes dépend de plusieurs facteurs, notamment dépend des propriétés des milieux traversés : deux composantes peuvent varier : la trajectoire des ondes et la vitesse des ondes.

   - La trajectoire des ondes sismiques peut être modifiée : elles sont réfractées ou réfléchies lorsqu’elles traversent des milieux différents, au niveau du changement de milieu appelée la discontinuité.

   -  De plus la vitesse des ondes sismiques varie lorsqu'elles traversent des matériaux de nature différentes ou de même nature mais de température différente. 

     

Trajectoire des ondes selon les milieux (à gauche). Montage expérimental pour mesurer les vitesses des ondes par Logiciel Audacity (à droite). Variations de vitesses des ondes selon la nature des matériaux traversés. 

 

L'étude de la vitesse des roches couplée à celle de la densité montre le lien entre les deux paramètres. Les ondes se propagent d'autant plus rapidement que la densité du matériau traversé est élevée;