Chap 1 : Structure interne et composition chimique du globe

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1 Partie III : STRUCTURE, COMPOSITION ET DYNAMIQUE DE LA TERRE. Chap 1 : Structure interne et composition chimique du globe La Terre, planète tellurique, est constituée d enveloppes concentriques externes: atmosphère, hydrosphère (étudiées en classe de 2 nde ), biosphère (comprenant tous les organismes vivants et leurs interactions) et de la lithosphère (littéralement : «la sphère des roches»), constituée d une croûte (océanique ou continentale), et de la partie superficielle du manteau supérieur. Ces enveloppes sont accessibles à l observation directe et à l échantillonnage. Mais comment connaître la structure interne du globe terrestre? Au cours de ce chapitre nous développerons dans une première partie comment les données de la sismologie (science qui étudie les séismes) ont permis de comprendre la structure interne du globe terrestre. Puis, nous aborderons dans une seconde partie, l apport des échantillonnages de roches dans la compréhension de la composition chimique de notre Terre. Enfin, nous terminerons par une approche brève des informations apportées par les météorites sur la composition du noyau et décrirons les étapes de la formation de la Terre. I- Données caractérisant la structure et la composition de la Terre (TP1 + activité 5 sur Moho) 1- Echantillons accessibles On peut connaître la composition des couches superficielles par étude des affleurements (roches sédimentaires, métamorphiques et magmatiques), mais aussi grâce aux roches profondes qui ont été remontées (enclave) lors d éruption par exemple. Cependant pour connaître la composition interne il a fallu utiliser d autres méthodes d étude. 2- Utilisation des ondes sismiques (TP1) a. Enregistrement d un séisme (doc 2 p278) Belin 1ereS 2001 Des contraintes s'exerçant en permanence sur les roches conduisent à une accumulation d énergie qui finit par provoquer leur rupture au niveau d une faille. Un séisme correspond à cette rupture des roches soumises aux tensions qui se sont accumulées dans certaines zones de l écorce terrestre pendant des années, voire des siècles. L énergie ainsi accumulée est alors brutalement libérée au foyer* du séisme. Elle est transportée sur de très grandes distances par les vibrations ou ondes sismiques* émises dans toutes les directions à partir du foyer. Les sismographes* dispersés à la surface du globe enregistrent le passage de ces ondes. Les courbes obtenues sont des sismogrammes. On retrouve 3 types d ondes P, S, L. * foyer sismique : lieu où se produit la rupture des roches, après accumulation de contraintes

2 b- La propagation des ondes sismiques (doc A = doc 4 TP1) 3 groupes de vibrations décalées dans le temps se succèdent, avec des caractéristiques vibratoires différentes : Modèle du ressort - Ondes P se propagent comme un ver de terre - Ondes S se propagent comme un serpent 1 ) Les ondes de volume. (ondes P et S) Elles sont émises simultanément à partir du foyer et se propagent à l'intérieur du globe. Les ondes P (premières, les plus rapides) sont des ondes de compression-décompression: car lors de leur passage, les particules subissent successivement une compression puis une dilatation. Ce changement de volume des particules se fait parallèlement à la direction de propagation de l'onde: on dit donc que les ondes P sont des ondes longitudinales.. Les ondes P se propagent dans les milieux solides et liquides Les ondes S (secondes) sont donc des ondes transversales de cisaillement : les particules solides se déplacent perpendiculairement par rapport à la direction de propagation de l'onde. Les ondes S se propagent uniquement dans les solides DOCUMENT A : Propagation des ondes sismiques 2 ) Les ondes de surface (ondes L) Ce sont des ondes les plus lentes qui sont responsables des principaux dégâts. Elles ne se propagent qu'en surface. DOCUMENT A : Propagation des ondes sismiques => seules les ondes P et S traversent le globe terrestre et leur étude fournit des renseignements sur la structure interne du globe terrestre c - Les propriétés des ondes sismiques et renseignements apportés par leur étude La trajectoire des ondes : Le comportement des ondes suit à peu près les lois de l optique géométrique : elles sont réfléchies ou réfractées quand les propriétés du milieu traversé changent (act3 TP1). Par analogie avec les rayons lumineux, on parle de rais sismiques* pour désigner les trajectoires suivies par les vibrations sismiques. On appelle discontinuité, la frontière (interface) entre deux milieux aux comportements sismiques différents. Il existe deux discontinuités majeures entre matériaux de compositions différentes : - L existence de zone d ombre met en évidence l hétérogénéité de la terre et son organisation concentrique en deux zones principales séparées par une surface de discontinuité majeure. Il s agit de la discontinuité de Gutenberg à 2900km de profondeur. Elle marque la limite manteau profond et noyau. - Par ailleurs, l étude du temps d arrivée des ondes directes et réfléchies a mis en évidence l existence d une autre discontinuité appelée discontinuité de Mohorovicic ou Moho (limite croûte - manteau supérieur : 7, 30 ou 70 km de profondeur) act5 TP1 La vitesse des ondes apportent différents renseignements: La vitesse des ondes varie en fonction des caractéristiques physico-chimiques des milieux traversés - physique : densité, changement d état, pression, température - chimique : changement de composition atomique (doc 6 p Hatier) ou Exo hodochrone 1- Que montre ce type de graphique? 2- Que se passe-t-il si la vitesse est constante? D après l étude des hodochrones (temps d arrivée des ondes en fonction de la distance à l épicentre), on voit que la vitesse des ondes L est constante alors que celle des ondes P et S augmente avec la distance à l épicentre (plus l épicentre est loin plus les couches traversées sont profondes) donc la vitesse des ondes P et S augmente avec la profondeur : or ce sont des ondes qui parcourent les profondeurs donc on peut supposer que densité augmente avec profondeur (augmentation pression)

3 II- La structure interne du globe : modèle sismologique 1- L existence de discontinuités majeures doc B = A p260 Bordas A l aide de ce profil de vitesse des ondes sismiques S et P, retrouver les 3 principales discontinuités Belin 1ereS 2001 a- Une première discontinuité : la limite noyau manteau La vitesse moyenne des ondes est d autant plus grande qu elles pénètrent profondément dans le manteau, ce qui est lié à l augmentation de densité, et donc de rigidité, des roches avec la profondeur. L enregistrement des ondes P et S montre une variation brusque de vitesse, signe d une interface, vers 2900km De plus existence d une large zone d ombre du globe, où les ondes S sont inexistantes et les ondes P sont atténuées. Cette discontinuité de Gutenberg marque la limite entre le manteau* profond et le noyau* terrestre : à 2900km de profondeur. Les ondes S ne traversant pas cette discontinuité => noyau terrestre se comporte comme un liquide, du moins dans sa partie externe. Le manteau représente 75 % de la masse de la Terre. b- La discontinuité moyau externe noyau interne Vers 5150km on remarque - réapparition onde S : le noyau interne est solide - et augmenattion vitesse onde P : nouvelle discontinuité qui sépare noyau externe et interne = discontinuité de Lehman c- La discontinuité croûte manteau La croûte est séparée du manteau par une discontinuité (le Moho ) liée à une différence de composition chimique des matériaux ; La profondeur du Moho est variable : 7 à 12 km sous les océans, 30 à 40 km sous les continents (jusqu à 70 km sous les chaînes de montagne). La traversée du Moho se traduit par une accélération des ondes sismique La croûte représente 1% de la masse de la Terre.

4 2- Une discontinuité au sein du manteau Observation : vitesse de sondes S sous les continents et sous les océans La vitesse des ondes P et S, entre 50 et 180 km de profondeur, montre un net fléchissement : => Il existe une discontinuité mineure au sein du manteau supérieur (vers 100km) où la vitesse des ondes diminue : c est la LVZ, Low Velocity Zone (zone de faible vitesse) qui marque la limite inférieure de la lithosphère rigide Comment l expliquer? Exercice : 1 Couleur 2- R= T C de roche/t C de fusion Pour 50km : R= 750/1300 = 0.38 comportement cassant Pour 100km : R= 750/1250 = 0.6 comportement ductile Pour 150km : R= 1150/1300 = 0.8 comportement ductile Pour 200km : R= 1300/1600 = 0.8 comportement ductile Pour 250km : R= 1350/2000 = 0.6 Pour 300km : R= 1200/2500 = 0.48 La LVZ est donc une discontinuité physique (thermique) qui sépare : - Le manteau lithosphérique (entre le Moho et environ 100km). Il est rigide et a donc un comportement cassant. Avec la croûte il constitue la lithosphère. T C<1300 C - Le manteau asthénosphérique (au dessous des 100km de profondeur) ou LVZ : les matériaux sont ductiles c est à dire moins rigide donc déformable (pâte à modeler) T C>1300 C Au niveau de la LVZ, sous l action combinée de la pression et de la température, les matériaux du manteau deviennent ductiles*, i.e. plus déformables. Cet état physique se maintient jusque vers km, puis le manteau se comporte de nouveau comme un solide vis à vis des ondes sismiques. Conclusion : les différentes couches concentriques et les discontinuités La lithosphère est formée de la croûte et la partie superficielle rigide du manteau (manteau lithosphérique). (épaisseur moyenne de 80 à 150 km : entre le Moho et environ 100km) L asthénosphère est composée o d une autre partie du manteau supérieur d abord ductile (= moins rigide donc déformable (pâte à modeler) T C > 1300 C) c est la LVZ = manteau asthénosphérique, o puis d une partie nouveau rigide (asthénosphère située entre 150 km et 670 km) Un manteau inférieur à partir de 670 km de profondeur et jusqu à la limite manteau-noyau. discontinuité profondeur Variation du milieu Mohorovicic Entre 7km et 30 km Composition chimique croûte (granite ou basalte/gabbro) manteau (péridotite) LVZ Entre 80 et 150 km Variation physique du manteau : passage rigide à ductile car augmentation de T C Gutenberg 2900 km Composition chimique : limite manteau noyau Variation physique : solide -liquide Lehman 5100 km Variation physique : liquide-solide

5 + Schéma bilan

6 Schéma Bilan Belin 1ereS 2001

7 III- Origine de la structure interne terrestre 1- Le modèle de formation de la Terre Livre Bordas p 262 doc 1 Il y a 4,6 milliard d années, sous l effet des forces de gravité, les poussières interstellaires se sont regroupées en masse formant les objets du système solaires par accrétion (croissance d un objet géologique par apports successifs de matière). Doc E : La formation de la Terre par accrétion Accrétion de gaz et de poussières qui se sont attiré par gravité et agglutinés : embryons de planète : planétoïde Les planétoïdes grossissent, la gravité augmente et les bombardements sont de plus en plus intenses et donc la planète grossit Quand la Terre a atteint sa taille actuelle, il s agissait d une sphère homogène en fusion car la chaleur libérée par les bombardements a provoqué une augmentation de la température Puis, les impacts venant percuter le globe en formation ont dégagé une chaleur considérable : lorsque la planète a acquis sa taille actuelle elle était formée de matériaux fondus. La terre primitive était une sphère de magma au sein duquel les éléments chimiques se sont progressivement séparés par gravité : on parle de différenciation planétaire. Ainsi se sont formées des enveloppes concentriques de densité croissante vers le centre. Doc 3 p 262 Document F : La différenciation de la Terre Au sein de la Terre magmatique, les éléments chimiques les plus lourds (Fe, Ni) se rassemblent par gravité vers le centre du globe pour former un noyau dense. Les plus légers (0, Si, Al, Ca, Na et K) surnagent et gagnent la surface pour former au cours du refroidissement des silicates, minéraux d'une croûte rocheuse plus légère. Entre croûte et noyau, les silicates du manteau sont formés essentiellement des éléments 0, Si, Fe et Mg. Les molécules gazeuses s'échappent du manteau (C02, H20, N2, CH4) et vont constituer l'atmosphère primitive puis, par condensation de la vapeur d'eau, les océans. Les éléments les plus légers (H et He) «s'évadent» dans l'espace car la gravité terrestre est insuffisante pour les retenir. 1- Légender le schéma 2- Représenter par des flèches vertes la migration des gaz (et des éléments peu denses) 3- Représenter par des flèches rouges la migration des éléments plus denses

8 2- Les arguments en faveur de ce modèle Les météorites sont des fragments d astéroïdes qui se sont formés en même temps que tous les autres éléments du système solaire : il y 4,5 milliards d années, et à partir des mêmes matériaux. L analyse des météorites nous renseigne sur la composition interne des planètes. On considère que les météorites ont la même composition globale que la terre. On trouve deux types principaux de météorites : - Chondrite : (85% des météorites recueillies sur Terre) Elles sont formées de globules appelés chondres (silicates + matrice de Fer et de nickel). Elles se sont formées avant la différenciation, elles possèdent une composition chimique regroupant la totalité des éléments composant une planète. - Achondrites : (15% des météorites recueillies sur Terre) Elles sont sans chondre et se sont formées après une différenciation, elles possèdent des compositions chimiques différentes indiquant le phénomène de différenciation. - achondrite pierreuse (avec silicate) - achondrite métallique (avec fer + nickel) - achondrite mixte Des données sismologiques, et l apport de météorites* différenciées, permettent donc de montrer que la composition chimique du manteau profond est la même que celle du manteau supérieur. La composition chimique du noyau est déterminée à partir de l'analyse de météorites de type sidérites ; Le noyau est essentiellement constitué de fer. Le noyau représente environ 25% de la masse de la Terre. ORIGINE DES METEORITES : p263 Bordas pierreuse mixte métallique ACHONDRITES CHONDRITES

9 IV- La composition du globe cf TP3 IV- Composition chimique des enveloppes externes du globe terrestre O 2- Les roches de la croûte et du manteau sont constituées par un petit nombre d éléments chimiques majeurs qui sont au nombre de 8, soit :... O 2- Si 4+ O 2- O 2- L organisation de la matière minérale est la suivante : - les atomes (ou les ions) s associent par des liaisons chimiques pour former des assemblages réguliers dans l espace et répétitifs appelés : - De nombreux cristaux de composition chimique donnée constituent, élément constitutif de la roche. Les silicates sont les principaux minéraux constituant les roches de la croûte et du manteau. Les minéraux de cette famille ont une structure commune : le motif élémentaire SiO C est un tétraèdre dans lequel un atome de silicium est entouré par quatre atomes d oxygène. Ces motifs tétraédriques sont reliés entre eux par d autres atomes et constituent ainsi différents minéraux (ex : l olivine de formule = (Fe,Mg)SiO 4 ). 1. Les couches accessibles du globe terrestre (TP 3) Propriétés Croûte continentale Croûte océanique Manteau Densité Roche principale Famille Texture Minéraux présents Composition chimique globale (principaux éléments chimiques présents) O, Si, Al, K, Na, Fe O, Si, Fe, Al, Ca, Mg O, Mg, Si, Fe Classés du plus abondant au mois abondant Richesse en silice Richesse en fer Richesses en magnésium Richesse en potassium et en sodium Pour les 4 dernières lignes vous montrerez par une flèche si elle diminue ou si elle augmente en comparant leur teneur dans les différentes couches du globe citées. 2. Les couches inaccessibles du globe terrestre (manteau profond et noyau) Pour le manteau profond, la vitesse de propagation des ondes sismiques ne variant pas brusquement avec la profondeur, on en déduit que la composition chimique reste la même. Seule l augmentation de la.. des matériaux (due à l augmentation de la ) est la cause de l augmentation régulière de la vitesse des ondes sismiques. La roche composant le manteau est donc... Pour le noyau : D après l étude précédente des météorites, quel semble être le principal élément constitutif du noyau?... La densité du noyau du noyau est-elle en rapport avec cet élément? Justifier. Quel autre élément compose le noyau?.

10 BILAN IV A. La croûte est essentiellement constituée de roches magmatiques (et de roches métamorphiques). La croûte continentale est essentiellement formée de roche telle que le granite. Il s agit de roches magmatiques*, dites plutoniques*, car formées en profondeur. Un granite est une roche grenue composée essentiellement de feldspaths (plagioclases et alcalins) et de quartz, et accessoirement de micas et d amphiboles. La croûte océanique est formée de basaltes (roches volcaniques, formées en surface) et de gabbros (roches plutoniques formées en profondeur). o Un basalte est une roche microlithique, avec des phénocristaux de pyroxènes, éventuellement d olivines et de feldspaths alcalins, des microlithes de plagioclases et du verre. Le verre correspond à la partie non cristallisée de la roche. o Un gabbro est une roche grenue de même composition chimique que le basalte. B. Le manteau est constitué de péridotites. Lors de leur remontée vers la surface, des magmas basaltiques peuvent inclure des enclaves de péridotites, c est ainsi que l on peut observer des roches du manteau. Ces roches renferment des minéraux d olivine et de pyroxènes et/ou du verre. Conclusion : Ce premier chapitre nous a permis de mettre en évidence la composition et la structure de la Terre. Celle-ci est faite d enveloppes concentriques aux propriétés physico-chimiques particulières. L apport des données sismiques dans cette étude n a pas été négligeable. Or la présence de séismes indique une activité interne de notre planète. Comment comprendre ce dynamisme interne? GLOSSAIRE : *Ondes sismiques : ondes élastiques qui peuvent traverser un milieu sans le modifier durablement. Leur propagation correspond à la transmission, de proche en proche, de la déformation de particules (ondes P) ou du déplacement de particules (ondes S). * sismographe : appareil enregistrant les séismes. * sismogramme : courbe obtenue par un sismographe. * rai sismique : matérialisation de la trajectoire d une onde sismique. * manteau : enveloppe de la Terre située sous la croûte continentale ou océanique. * noyau : enveloppe de la Terre située entre le manteau (2 900km ) et la graine (5100 km). * ductile : état physique d un solide qui peut être étiré sans se rompre. * roche magmatique : roche issue de la cristallisation en profondeur (plutonique) ou en surface (volcanique) d un magma (mélange liquide, gazeux et solide). * géotherme : courbe traduisant l augmentation de la température avec la profondeur. * météorites : fragment rocheux ou métallifère, venant de l espace et atteignant la Terre. * accrétion : croissance d un objet géologique par apports successifs de matière. * astéroïdes : petits corps rocheux de formes irrégulières et de dimensions variables, allant de quelques km de diamètre, jusqu à 1000 km pour le plus gros (Cérès). * chondre : petite sphère formée d une association finement cristallisé de silicates (olivines) et de globules métalliques.