Partie 1 Structure, composition et dynamique de la Terre. 1 Structure et composition chimique internes de la Terre. 1.1 Rappels de géologie

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1 Première S 2/46 Partie 1 Structure, composition et dynamique de la Terre L intérieur de la Terre est inaccessible à l observation directe. Comment connaître sa constitution et son fonctionnement? 1 Structure et composition chimique internes de la Terre 1.1 Rappels de géologie La géologie est l étude de la lithosphère, ainsi que des structures internes de la Terre. [251.1] L étude des roches est directement possible au niveau d un affleurement : partie du sol en général dégagée par l érosion. Les roches sont de 2 principaux types : Sédimentaires (formées par l accumulation de débris d organismes morts et de minéraux, en général en milieu aquatique = sédimentation) [254.2a] Elles sont constitués d éléments liés par un ciment Magmatiques (provenant des éruptions volcaniques [257.2a] ex. basalte, ou dégagées par l érosion = roches plutoniques [255.2b] ex. granite) [253.1] Elles sont constitués de cristaux, soit liés directement entre eux, soit par l intermédiaire de verre. [254.1] Les terrains sédimentaires sont généralement stratifiés. Les terrains granitiques ou volcaniques seront souvent fracturés, [256.1a] mais peuvent parfois présenter une stratification. En France, les terrains sédimentaires sont surtout retrouvés au niveau des zones de plaines (bassins). Ils se mêlent aux terrains granitiques dans les zones montagneuses. Certaines zones très érodées (ex. Bretagne) sont constituées de roches très anciennes (bouclier). Au niveau mondial, ces éléments sont observables (ex. bouclier canadien, bouclier baltique). La nature des terrains peut être étudiée soit par des prélèvements au niveau des affleurements, [260.2] soit par des forages (qui sont limités à une quinzaine de kms de profondeur). Comment étudier la composition plus interne de la planète? 1.2 Rappel sur les manifestations telluriques [ ] Les séismes et le volcanisme sont des manifestations de l activité interne de la Terre. Un séisme est dû à la rupture, le plus souvent le long d une faille, de la croûte terrestre, en un point appelé foyer (hypocentre). Cette rupture est due à l accumulation de tensions suite au mouvement des plaques lithosphériques. Elle est brutale et dégage de l énergie sous forme d ondes sismiques (vibrations du sol).

2 Première S 3/46 L arrivée de ces ondes en surface peut créer des dégâts plus ou moins importants, en particulier à l épicentre (point situé à la verticale du foyer.) Les ondes sismiques peuvent être enregistrées par un sismographe. Elles sont de 3 types[279.1] : ondes P (premières), ondes de compression se propageant rapidement dans tous les milieux ondes S (secondes), ondes de cisaillement bloquées par les liquides ondes de surface (L et R). Les ondes L sont les plus destructrices. Les ondes S se propageant plus lentement que les ondes P, le décalage d enregistrement renseigne sur la distance de la station au foyer. Les décalages observés entre différentes stations permettent de préciser le milieu traversé. Comment la propagation des ondes sismiques peut-elle nous renseigner sur la constitution interne de la Terre? 1.3 La Terre est constituée d enveloppes concentriques [A1] La rupture d un solide crée des vibrations (ondes) qui se propagent en ligne droite si ce solide est homogène. Un changement de milieu modifie la vitesse et la direction des ondes (réflexion et réfraction). [A2][273.3] Dans un milieu circulaire (modélisation), et par extension un milieu sphérique, des discontinuités concentriques (marquant le passage entre des milieux de densités différentes) sont responsables de zones qui ne sont pas atteintes directement par les vibrations : ce sont des zones d ombre. La Terre est constituée de façon homogène : à une profondeur donnée, les propriétés physiques et chimiques sont les mêmes. En effet, à une même distance d un hypocentre, les différentes ondes seront perçues au même moment. Comment exploiter ces informations pour connaître la constitution interne? 1.4 Localisation des couches internes [268.1] En fonction du milieu traversé, une onde voit sa vitesse et sa trajectoire modifiées. La loi qui régit la réfraction des rais sismiques est approximativement celle qui régit la réfraction des rayons lumineux (loi de Descartes) : v 1.sini3 v 2 sini1 Pour les rais sismiques réfléchis, i 1 = i 2 [269.2] La réflexion d ondes sismiques au niveau des interfaces (changement brutal de composition et/ou de structure du milieu) permet de calculer leur profondeur. Le Moho marque la frontière entre la croûte et le manteau supérieur : c est la limite la plus superficielle. [270.1] Sa profondeur moyenne est de 8 Kms sous les océans, de 30 Kms

3 Première S 4/46 sous les continents, mais elle peut atteindre Kms sous les massifs montagneux. [1.4] Les réflexions et réfractions successives au niveau des différentes interfaces sont responsables des multiples trains d ondes enregistrés lors d un séisme (y compris dans la zone d ombre). Les variations de vitesse en fonction du milieu traversé sont différentes pour les ondes P et S. Les changements brusques de vitesse des ondes sismiques ont permis de délimiter 5 enveloppes internes : La croûte terrestre, constituée de silicates et roches sédimentaires : Croûte Roche Épaisseur continentale Sédiments/Granite océanique Sédiments/Basalte/gabbro 8-10 Elle représente 1% du volume du globe. Elle est limitée à sa base par le Moho. Sous le Moho, le manteau supérieur, subdivisé en : o Manteau lithosphérique, rigide, et formant, avec la croûte, la lithosphère. o Une zone de moindre résistance, où les ondes sismiques se propagent plus lentement (LVZ), de 100 à ~300 kms. Son comportement est ductile : les roches se déforment sans se casser. o Le reste du manteau supérieur, de 300 à 670 kms, est légèrement ductile (à cause de l augmentation de pression proportionnelle à la profondeur). Des variations de vitesse des ondes signalent un milieu peu homogène. Le manteau inférieur, à partir de 670 kms. Le manteau représente 83% du volume du globe A partir de la LVZ jusqu au noyau externe, le manteau est ductile, et constitue l asthénosphère. Le noyau externe est séparé du manteau inférieur par la discontinuité de Gutenberg vers 2950 kms. Il est liquide et empêche donc la propagation des ondes S. Le changement brutal de milieu (physique/ chimique) est responsable de la zone d ombre. Le noyau (graine) interne, solide, commence à kms, à la discontinuité de Lehman. [271.3] Ces enveloppes se distinguent par des caractéristiques physiques différentes (masse volumique, pression, température ). Globalement, tous ces paramètres augmentent avec la profondeur. Ces variations ne suffisent pas à expliquer les relevés de vitesses sismiques. Des changements de composition chimique peuvent-ils aussi expliquer ces variations? 1.5 Nature des enveloppes Les matériaux constituant les enveloppes internes présentent des densités différentes (de 2 à 13), expliquant les brusques changements de vitesse aux interfaces.

4 Première S 5/ Croûte et manteau La partie externe de la Terre est silicatée (minéraux à base de SiO 4 ). La croûte océanique (basalte et gabbro) se distingue de la croûte continentale (granitoïdes). Ces roches ont une densité inférieure à 3. Grâce au principe de l isostasie [270.1], on peut émettre l hypothèse que le manteau est constitué de péridotites (densité ~3,2) Le noyau Le noyau est constitué d un matériau plus dense que le manteau. La présence d un champ magnétique terrestre confirme qu il contient essentiellement de fer (avec du nickel et quelques autres éléments plus «légers».) 1.6 Composition chimique des enveloppes Seulement quelques éléments constituent l essentiel des roches du sol et sous-sol : Les éléments majeurs : O (40-50%), Si (20-35%) Al (10%) D autres moins abondants Fe, Mg, Ca, Na, K Ces éléments sont à l origine des minéraux, qui s assemblent en cristaux. Un cristal est un ensemble ordonné dans l espace d un motif d atomes. L assemblage de certains minéraux, dans certaines proportions, constituent des roches identifiables. Les atomes, s ils ne s organisent pas en cristaux, forment du verre La croûte océanique Elle est surtout constituée de basalte et gabbro. Ces roches sont sombres (présence de pyroxène et d olivine). Elles sont riches en éléments ferromagnésiens (Mg, Fe) et calciques (Ca). Ces roches ont la même composition chimique, cependant : [257.2a] Le basalte a une structure microlitique : cristaux de petite taille (feldspath pl.), quelques cristaux de grande taille (olivine, pyroxène), noyés dans du verre. [253.1d] Le gabbro a une structure grenue : grands cristaux et absence de verre La croûte continentale [251.2] Elle est constituée de granitoïdes (granite, granodiorite, diorite, gneiss). [255.2b] Ces roches sont grenues, riches en éléments alcalins (Na et/ou K) et Al, pauvres en ferromagnésiens Le manteau [257.2c] Il est constitué de péridotites : roche grenue, riche en minéraux ferromagnésiens (olivine, pyroxène). La pression est capable de modifier l agencement géométrique des atomes dans les minéraux. Cela explique les variations des vitesses des ondes sismiques rencontrées dans le manteau supérieur.

5 Première S 6/ Le noyau [272.1] Les modèles physiques (densité en fonction de la pression) montrent que le noyau ne peut être constitué que d un mélange de métaux (Fe et Ni essentiellement.) L origine météorique L étude des météorites permet d émettre des hypothèses concernant la composition chimique du manteau et surtout du noyau. [276.1a] On estime que la Terre, comme les autres planètes telluriques, a été formée par accrétion de poussières et de météorites durant le premier milliard d années du système solaire. Le noyau est constitué des éléments chimiques les plus denses, qui s y sont accumulés par tri gravitaire. [ ] La terre a globalement une composition chondritique (les chondrites indifférenciées se sont formées avant le tri gravitaire, et révèlent la composition chimique globale) La lithosphère et le manteau correspondent aux météorites rocheuses (achondrites). Le noyau correspond aux météorites ferreuses (sidérites). 1.7 Bilan