Bienvenue sur le site SVT de Lucie Ohayon, professeur au lycée Saint Sernin de Toulouse

  
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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 !

Ed Suess.png theorie ponts continetaux.png

Jusqu’à la fin du 20ème 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 20ième siècle, Wegener fait plusieurs constatations :

wegener.gifarguments wegener.jpg
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 continentsla 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.

distribution-bimodale.jpg
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.

carte de France.jpg

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.

R sedimentaire Calcaire.jpg        R metamorphique gneiss.jpg

       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.

schembil structure interne.png

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. 

trajet ondes 2.jpgaudacity montage granite.jpg     audacity resultats 2.png

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. 

croute-manteau1.png 

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; 



 

2. utilisation des ondes sismiques pour l’étude de la structure : le modèle PREM

 propagation onde.gif seisme et ondes.gifondes sismiques.jpg
propagation onde    séismes et ondes      ondes sismiques

Un séisme se produit lors de la rupture de roches soumises à des contraintes. Cette rupture s'accompagne alors d'une très forte libération d'énergie qui se répand dans toutes les directions de l'espace sous la forme d'ondes sismiques : les ondes P (premières) et les ondes S (secondes).

trajet ondes globe.jpg

vitesses ondes croute et manteau.jpg





















 




Trajet des ondes à l'intérieur du globe et les zones de silence sismique témoins des discontinuités ( à droite) Variations de vitesses de ondes en fonction de la profondeur (à gauche).


Bilan :

​L'étude du trajet et de la vitesse des ondes sismiques dans le globe révèle l'existence de plusieurs discontinuités et donc de couches différentes dont l'épaisseur et la profondeur sont mesurées : 

- sous la croûte océanique et sous la croûte continentale, une discontinuité appelée le Moho sépare deux milieux différents : la croûte du manteau. Sous les continents le Moho se situe à une profondeur variant de 30 Km à 70 km sous les montagnes, il sépare deux milieux de nature différente : la croûte continentale et le manteau. La même discontinuité se prolonge sous les océans mais à une profondeur plus faible (7 à 12 Km), séparant cette fois la croûte océanique et le manteau.

Vers 400 km de profondeur : séparation entre manteau supérieur et manteau inférieur.

- Vers 2800 km de profondeur qui représente la séparation entre deux milieux : le manteau inférieur et le noyau externe appelée discontinuité de Gutenberg

- Vers 5000 km de profondeur entre le noyau externe et le noyau interne. Discontinuité de Lehman.

Les ondes sismiques S ne se propagent pas dans les liquides. Or, dans l'études du trajet des ondes, les ondes S sont absentes de la zone du noyau externe alors qu'elles sont présentes dans le noyau interne. On en déduit que le noyau externe est liquide tandis que le noyau interne est solide. 

A environ 100 km sous les océans et 120 Km sous les continents, apparait une zone où la vitesse des ondes est ralentie. Il s'agit de la LVZ (Low velocity zone). Elle s'étend jusqu'à 200 km de profondeur. Dans cette LVZ, la température qui y règne est proche de la température à laquelle les péridotites constitutives du manteau commencent à fondre. Les roches sont encore solides mais ductiles. Cette partie du manteau solide ductile se distingue donc par son comportement mécanique de la partie supérieure du manteau et de la croute qui eux sont solides. La partie ductile du manteau est appelée l'asthénosphère tandis que la partie solide rigide composée du haut du manteau et de la croûte est appelée la lithosphère. 

L'ensemble de ces études permettent d'établir un modèle : le modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model) ci-dessous :

    Résultat de recherche d'images pour "Modele PREM"

vitesse ondes lithosphere.jpg 

en jaune la croûte (océanique ou continentale) et en vert, le manteau lithosphérique, l'ensemble étant solide rigide compose la lithosphère. 
en rose, le manteau asthénosphérique, solide mais ductile. 






 

III. La structure thermique de la Terre

A. La température de la Terre varie selon la profondeur. 

Comment évolue la température à l’intérieur de la Terre ?

flux chaleur surface.jpggradients geothermiques. jpg.jpg
 

Gradients géothermiques et flux de chaleurs à la surface de la Terre. Droits réservés - © 2014 Pierre Thomas


La Terre dissipe de la chaleur en surface. Certaines zones en dissipent davantage, ce sont les zones de dorsales. Au contraire, les flux de chaleur sont faibles sous les continents. Le flux de chaleur correspond au gradient géothermique : il s'agit de la variation de température par Km. La température de la Terre augmente avec la profondeur. Cependant, les gradients ne sont pas les mêmes selon les couches. Ces gradients sont dus aux modes de transfert de chaleur. 

transferts de chaleurs.jpgIl existe 3 modes de transferts de chaleur dont deux à l'intérieur de la Terre : la conduction et la convection. Lors de la conduction, la chaleur se déplace par contact et  par transfert entre les molécules qui restent fixes. La convection correspond à des déplacements de masses chaudes ou froides.

Le profil d’évolution de la température interne présente des différences suivant les enveloppes internes de la Terre, liées aux modes de transferts thermiques : la conduction et la convection.
le manteau terrestre est animé de mouvements de convection, mécanisme efficace de transfert thermique. Au contraire, la lithosphère solide rigide rend difficile le déplacement des masses rocheuses, le transfert thermique est quasi exclusivement effectué par conduction.

 

B. Vers un modèle thermique de la Terre

Comment se dissipent l’énergie thermique de la Terre et quelles conséquences à l’intérieur de la Terre ?

La tomographie sismique étudie les variations de vitesse de propagation des ondes en fonction de la profondeur à différents endroits au-dessous de la surface. Elle révèle des anomalies de vitesses par rapport au modèle PREM. Les ondes sont accélérées sous les fosses océaniques et ralenties sous certains volcans de dorsale ou de points chauds. Ces anomalies thermiques, révèlent l’existence de masses qui se déplacent en fonction de leur température : les chaudes ont tendance à monter tandis que les masses froides descendent. Elles se déplacent par convection. Ces anomalies de températures sont interprétées comme des hétérogénéités thermiques, notamment au sein du manteau.

tomographie sismique.jpgImages tomographiques au niveau de l’Amérique centrale (Central America),
Japon (Japan), Égée (Agean) et Tonga. (source cnrs)

 La tomographie sismique permet de formuler des hypothèses quand à la structure thermique du manteau situé sous la lithosphère et son eventuelle animation convective.

terre-machine-termique.jpg


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