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UE Terre profonde Cécile Grigné http://pageperso.univ-brest.fr/∼grigne • Propriétés physiques de la Terre et géodynamique interne • Tectonique des plaques, cinématique... C.Grigné - UE Terre Profonde 1 Introduction Dynamique de la Terre profonde =⇒ Manifestations en surface • Volcanisme • Tremblements de Terre • Construction de reliefs • Champ magnétique • ... C.Grigné - UE Terre Profonde 2 Introduction Liens Vivant - Dynamique interne • Origine de l’atmosphère et l’hydrosphère terrestre : ◮ Accrétion des planètes : matériaux les plus denses au centre, les plus légers vers l’extérieur C.Grigné - UE Terre Profonde 3 Introduction Liens Vivant - Dynamique interne • Origine de l’atmosphère et l’hydrosphère terrestre : ◮ Accrétion des planètes : matériaux les plus denses au centre, les plus légers vers l’extérieur ◮ L’atmosphère primitive est perdue (vent solaire) C.Grigné - UE Terre Profonde 3 Introduction Liens Vivant - Dynamique interne • Origine de l’atmosphère et l’hydrosphère terrestre : ◮ Accrétion des planètes : matériaux les plus denses au centre, les plus légers vers l’extérieur ◮ L’atmosphère primitive est perdue (vent solaire) ◮ Formation de l’atmosphère : - Dégagement par volcanisme - Apport par les comètes ? - La dynamique interne et le volcanisme recyclent l’atmosphère et l’hydrosphère. C.Grigné - UE Terre Profonde 3 Introduction Liens Vivant - Dynamique interne • Existence d’extrêmophiles Ecosystème complexe autour des bactéries thermophiles aux dorsales (“Fumeurs”, pas de photosynthèse mais chimiosynthèse à partir du S) • Influence de la dynamique interne sur le climat (Ex: Krakatoa 1883, baisse de température moyenne de 1.2◦ C) • Dynamique du noyau : champ magnétique ’protecteur’ ◮ Terre : planète active en surface =⇒ Influence sur le vivant C.Grigné - UE Terre Profonde 4 Introduction Liens Vivant - Dynamique interne • Existence d’extrêmophiles Ecosystème complexe autour des bactéries thermophiles aux dorsales (“Fumeurs”, pas de photosynthèse mais chimiosynthèse à partir du S) • Influence de la dynamique interne sur le climat (Ex: Krakatoa 1883, baisse de température moyenne de 1.2◦ C) • Dynamique du noyau : champ magnétique ’protecteur’ ◮ Terre : planète active en surface =⇒ Influence sur le vivant Riftia pachyptila C.Grigné - UE Terre Profonde 4 Introduction Liens Vivant - Dynamique interne • Existence d’extrêmophiles Ecosystème complexe autour des bactéries thermophiles aux dorsales (“Fumeurs”, pas de photosynthèse mais chimiosynthèse à partir du S) • Influence de la dynamique interne sur le climat (Ex: Krakatoa 1883, baisse de température moyenne de 1.2◦ C) • Dynamique du noyau : champ magnétique ’protecteur’ ◮ Terre : planète active en surface =⇒ Influence sur le vivant C.Grigné - UE Terre Profonde 4 Introduction Comment connaît-on la structure interne de la Terre ? =⇒ Approche pluridisciplinaire • Etude de la propagation des ondes sismiques C.Grigné - UE Terre Profonde 5 Introduction Comment connaît-on la structure interne de la Terre ? =⇒ Approche pluridisciplinaire • Etude de la propagation des ondes sismiques • Géochimie : matériaux constituants la Terre et différenciation C.Grigné - UE Terre Profonde 5 Introduction Comment connaît-on la structure interne de la Terre ? =⇒ Approche pluridisciplinaire • Etude de la propagation des ondes sismiques • Géochimie : matériaux constituants la Terre et différenciation • Minéralogie, physique des matériaux C.Grigné - UE Terre Profonde 5 Introduction Comment connaît-on la structure interne de la Terre ? =⇒ Approche pluridisciplinaire • Etude de la propagation des ondes sismiques • Géochimie : matériaux constituants la Terre et différenciation • Minéralogie, physique des matériaux • Etude du champ de gravité C.Grigné - UE Terre Profonde 5 Introduction Comment connaît-on la structure interne de la Terre ? =⇒ Approche pluridisciplinaire • Etude de la propagation des ondes sismiques • Géochimie : matériaux constituants la Terre et différenciation • Minéralogie, physique des matériaux • Etude du champ de gravité • Dynamique visible en surface : tectonique des plaques C.Grigné - UE Terre Profonde 5 Introduction Comment connaît-on la structure interne de la Terre ? =⇒ Approche pluridisciplinaire • Etude de la propagation des ondes sismiques • Géochimie : matériaux constituants la Terre et différenciation • Minéralogie, physique des matériaux • Etude du champ de gravité • Dynamique visible en surface : tectonique des plaques • Thermodynamique • Modélisation de la dynamique, mécanique des fluides • ... C.Grigné - UE Terre Profonde 5 I - Vers la théorie de la tectonique des plaques Petit historique des Sciences de la Terre. Evolution des idées ayant mené à la théorie de la tectonique des plaques. Pour compléter : http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/histoire-tectonique-plaques.xml C.Grigné - UE Terre Profonde 6 I - Vers la tectonique des plaques... • 1596 : le cartographe hollandais Abraham Ortelius dans Theatrum Orbis Terrarum remarque le parallélisme des côtes africaines et sud-américaines • 1620 : idem Francis Bacon dans Novum Organum • 1858 : Snider-Pellegrini (géographe français) dans La Création et ses mystères dévoilés → séparation = déluge biblique C.Grigné - UE Terre Profonde 7 I - Vers la tectonique des plaques... • Eduard Suess (Das Antlitz der Erde, 1885-1909) : flore fossile dans des niveaux de charbon en Inde, Australie, Amérique du Sud et Antarctique −→ continents autrefois regroupés (Gondwana) C.Grigné - UE Terre Profonde 8 I - Vers la tectonique des plaques... • Eduard Suess (Das Antlitz der Erde, 1885-1909) : flore fossile dans des niveaux de charbon en Inde, Australie, Amérique du Sud et Antarctique −→ continents autrefois regroupés (Gondwana) • Wegener (glaciologue allemand) : réunit des arguments en faveur de la dérive des continents. • Preuves de l’existence de la Pangée : - paléontologiques (faunes fossiles) - affleurements de terrains cristallins C.Grigné - UE Terre Profonde 8 I - Vers la tectonique des plaques... • Eduard Suess (Das Antlitz der Erde, 1885-1909) : flore fossile dans des niveaux de charbon en Inde, Australie, Amérique du Sud et Antarctique −→ continents autrefois regroupés (Gondwana) • Wegener (glaciologue allemand) : réunit des arguments en faveur de la dérive des continents. • Preuves de l’existence de la Pangée : - paléontologiques (faunes fossiles) - affleurements de terrains cristallins - affleurements de tillites (formations glaciaires) C.Grigné - UE Terre Profonde 8 I - Vers la tectonique des plaques... • Eduard Suess (Das Antlitz der Erde, 1885-1909) : flore fossile dans des niveaux de charbon en Inde, Australie, Amérique du Sud et Antarctique −→ continents autrefois regroupés (Gondwana) • Wegener (glaciologue allemand) : réunit des arguments en faveur de la dérive des continents. • Preuves de l’existence de la Pangée : - paléontologiques (faunes fossiles) - affleurements de terrains cristallins - affleurements de tillites (formations glaciaires) C.Grigné - UE Terre Profonde 8 I - Vers la tectonique des plaques... • Eduard Suess (Das Antlitz der Erde, 1885-1909) : flore fossile dans des niveaux de charbon en Inde, Australie, Amérique du Sud et Antarctique −→ continents autrefois regroupés (Gondwana) • Wegener (glaciologue allemand) : réunit des arguments en faveur de la dérive des continents. • Preuves de l’existence de la Pangée : - paléontologiques (faunes fossiles) - affleurements de terrains cristallins - affleurements de tillites (formations glaciaires) C.Grigné - UE Terre Profonde 8 I - Vers la tectonique des plaques... • Eduard Suess (Das Antlitz der Erde, 1885-1909) : flore fossile dans des niveaux de charbon en Inde, Australie, Amérique du Sud et Antarctique −→ continents autrefois regroupés (Gondwana) • Wegener (glaciologue allemand) : réunit des arguments en faveur de la dérive des continents. • Preuves de l’existence de la Pangée : - paléontologiques (faunes fossiles) - affleurements de terrains cristallins - affleurements de tillites (formations glaciaires) C.Grigné - UE Terre Profonde 8 I - Vers la tectonique des plaques... “L’apparition des mouvements compensateurs isostatiques, ainsi que les translations continentales, montrent à souhait que la Terre possède un certain degré de fluidité.” Alfred Wegener (La genèse des continents et des océans) ◮ Pas de mécanisme pour expliquer de grands mouvements latéraux (la théorie de la “contraction thermique de la Terre” est alors encore acceptée) C.Grigné - UE Terre Profonde 9 I - Vers la tectonique des plaques... “L’apparition des mouvements compensateurs isostatiques, ainsi que les translations continentales, montrent à souhait que la Terre possède un certain degré de fluidité.” Alfred Wegener (La genèse des continents et des océans) ◮ Pas de mécanisme pour expliquer de grands mouvements latéraux (la théorie de la “contraction thermique de la Terre” est alors encore acceptée) C.Grigné - UE Terre Profonde 9 I - Vers la tectonique des plaques... La convection mantellique • Convection en tant que processus de transfert de chaleur découverte en 1797 mais réellement comprise début XXème . C.Grigné - UE Terre Profonde 10 I - Vers la tectonique des plaques... La convection mantellique • Convection en tant que processus de transfert de chaleur découverte en 1797 mais réellement comprise début XXème . • Osmond Fisher (1881) : mouvements internes du globe à l’origine des chaînes de montagnes. C.Grigné - UE Terre Profonde 10 I - Vers la tectonique des plaques... La convection mantellique • Convection en tant que processus de transfert de chaleur découverte en 1797 mais réellement comprise début XXème . • Osmond Fisher (1881) : mouvements internes du globe à l’origine des chaînes de montagnes. • Otto Ampferer (1925) : courants de convection, chauds et montants sous les océans, et froids et descendants sous les continents, à l’origine des chaînes de montagnes. C.Grigné - UE Terre Profonde 10 I - Vers la tectonique des plaques... La convection mantellique • Convection en tant que processus de transfert de chaleur découverte en 1797 mais réellement comprise début XXème . • Osmond Fisher (1881) : mouvements internes du globe à l’origine des chaînes de montagnes. • Otto Ampferer (1925) : courants de convection, chauds et montants sous les océans, et froids et descendants sous les continents, à l’origine des chaînes de montagnes. • Mais sismologie au début XXème : le manteau est un solide élastique. C.Grigné - UE Terre Profonde 10 I - Vers la tectonique des plaques... • Viscosité du manteau mesurée par Haskell (1937) (rebond post-glaciaire) : 1020 Pa.s C.Grigné - UE Terre Profonde 11 I - Vers la tectonique des plaques... • Viscosité du manteau mesurée par Haskell (1937) (rebond post-glaciaire) : 1020 Pa.s • Nombre de Rayleigh : Ra = C.Grigné - UE Terre Profonde forces motrices de la convection forces qui s’opposent à la convection 11 I - Vers la tectonique des plaques... • Viscosité du manteau mesurée par Haskell (1937) (rebond post-glaciaire) : 1020 Pa.s • Nombre de Rayleigh : Ra = forces motrices de la convection forces qui s’opposent à la convection • Il y a convection si Ra > Racritique (≃ 1000) C.Grigné - UE Terre Profonde 11 I - Vers la tectonique des plaques... • Viscosité du manteau mesurée par Haskell (1937) (rebond post-glaciaire) : 1020 Pa.s • Nombre de Rayleigh : Ra = forces motrices de la convection forces qui s’opposent à la convection • Il y a convection si Ra > Racritique (≃ 1000) ◮ Ramanteau = 107 : le manteau peut être en convection à l’état ’sub-solidus’. C.Grigné - UE Terre Profonde 11 I - Vers la tectonique des plaques... • Premiers dessins clairs du lien convection ↔ dérive des continents : Arthur Holmes (1945) C.Grigné - UE Terre Profonde 12 I - Vers la tectonique des plaques... • Premiers dessins clairs du lien convection ↔ dérive des continents : Arthur Holmes (1945) C.Grigné - UE Terre Profonde 12 I - Vers la tectonique des plaques... Données océaniques : • Durant/Après Seconde Guerre mondiale : topographie des fonds océaniques : dorsales, fosses et monts sous-marins C.Grigné - UE Terre Profonde 13 I - Vers la tectonique des plaques... Données océaniques : • Durant/Après Seconde Guerre mondiale : topographie des fonds océaniques : dorsales, fosses et monts sous-marins • Etudes sismiques : différences de compositions et d’épaisseurs entre les croûtes continentales et océaniques C.Grigné - UE Terre Profonde 13 I - Vers la tectonique des plaques... Données océaniques : • Durant/Après Seconde Guerre mondiale : topographie des fonds océaniques : dorsales, fosses et monts sous-marins • Etudes sismiques : différences de compositions et d’épaisseurs entre les croûtes continentales et océaniques • Données de flux de chaleur (Bullard, Maxwell et Revelle, 1956) : - croûte continentale : riche en éléments radioactifs → flux élevé ? - croûte océanique : pauvre en éléments radioactifs → flux faible ? ◮ observation inverse • Flux élevé au niveau des dorsales (ex. Sclater et Francheteau 1970) C.Grigné - UE Terre Profonde 13 I - Vers la tectonique des plaques... Données océaniques : • Ages des sédiments océaniques : symétrie par rapport à la dorsale et âge augmente avec la distance à la dorsale C.Grigné - UE Terre Profonde 14 I - Vers la tectonique des plaques... Données océaniques : • Ages des sédiments océaniques : symétrie par rapport à la dorsale et âge augmente avec la distance à la dorsale • Enregistrements des anomalies magnétiques C.Grigné - UE Terre Profonde 14 I - Vers la tectonique des plaques... Données océaniques : • Ages des sédiments océaniques : symétrie par rapport à la dorsale et âge augmente avec la distance à la dorsale • Enregistrements des anomalies magnétiques ◮ Idée d’expansion des fonds océaniques : Hess (1960) et Dietz (1961) “Le plancher océanique marque la surface des cellules de convection et s’écoule lentement depuis les zones de divergence vers les zones de convergence” C.Grigné - UE Terre Profonde 14 I - Vers la tectonique des plaques... Données océaniques : • Ages des sédiments océaniques : symétrie par rapport à la dorsale et âge augmente avec la distance à la dorsale • Enregistrements des anomalies magnétiques ◮ Idée d’expansion des fonds océaniques : Hess (1960) et Dietz (1961) C.Grigné - UE Terre Profonde 14 I - Vers la tectonique des plaques... Données océaniques : • Ages des sédiments océaniques : symétrie par rapport à la dorsale et âge augmente avec la distance à la dorsale • Enregistrements des anomalies magnétiques ◮ Idée d’expansion des fonds océaniques : Hess (1960) et Dietz (1961) ◮ Mise en lien de ces données : Morley, et Vine et Matthews (1963) C.Grigné - UE Terre Profonde 14 I - Vers la tectonique des plaques... • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) C.Grigné - UE Terre Profonde 15 I - Vers la tectonique des plaques... • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) C.Grigné - UE Terre Profonde 15 I - Vers la tectonique des plaques... • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) • Données de répartition des foyers de séismes : C.Grigné - UE Terre Profonde 15 I - Vers la tectonique des plaques... • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) • Données de répartition des foyers de séismes : - le long des dorsales - Wadati (1928) et Benioff (1949) : séismes très profonds (600-700 km) sur le pourtour du Pacifique ◮ séismes alignés le long d’un plan : zone de plongement C.Grigné - UE Terre Profonde 15 I - Vers la tectonique des plaques... • Alignement des îles hawaïennes : point chaud perçant une plaque en mouvement (Wilson, 1963) • Données de répartition des foyers de séismes : - le long des dorsales - Wadati (1928) et Benioff (1949) : séismes très profonds (600-700 km) sur le pourtour du Pacifique ◮ séismes alignés le long d’un plan : zone de plongement C.Grigné - UE Terre Profonde 15 I - La tectonique des plaques • Divergence le long des dorsales • Convergence le long de zones de subduction ◮ Déformation le long de lignes particulières uniquement - Lithosphère fragmentée en plaques (nom donné par Mc Kenzie et Parker, 1967) - Morgan (1968) C.Grigné - UE Terre Profonde 16 I - La tectonique des plaques • Divergence le long des dorsales • Convergence le long de zones de subduction ◮ Déformation le long de lignes particulières uniquement - Lithosphère fragmentée en plaques (nom donné par Mc Kenzie et Parker, 1967) - Morgan (1968) - Le Pichon (1968) C.Grigné - UE Terre Profonde 16 I - Bilan ¥ Besoin d’une approche multidisciplinaire pour comprendre le fonctionnement dynamique de la planète Terre. • données d’affleurements, de fossiles... • notion de mécanique des fluides • mesures en mer (bathymétrie, âge des sédiments, anomalies magnétiques...) • sismologie ¥ La Terre : seule planète connue ayant une tectonique des plaques active. C.Grigné - UE Terre Profonde 17 II - Sismologie 1) Introduction 2) Les ondes 3) Propagation des ondes C.Grigné - UE Terre Profonde 18 II - Introduction • Définition : Etude du passage des ondes élastiques dans la Terre. • Permet de connaître la structure interne de la Terre. C.Grigné - UE Terre Profonde 19 II - Introduction • Définition : Etude du passage des ondes élastiques dans la Terre. • Permet de connaître la structure interne de la Terre. - Séismoscope chinois au IIème siècle ? C.Grigné - UE Terre Profonde 19 II - Introduction • Définition : Etude du passage des ondes élastiques dans la Terre. • Permet de connaître la structure interne de la Terre. - Séismoscope chinois au IIème siècle ? - XIXème siècle : premières hypothèses pour un lien entre séisme et propagation des ondes. L’énergie libérée par un séisme peut être enregistrée en plusieurs points sur Terre. - Premier sismogramme enregistré à Potsdam le 17 Avril 1889. C.Grigné - UE Terre Profonde 19 II - Introduction • Définition : Etude du passage des ondes élastiques dans la Terre. • Permet de connaître la structure interne de la Terre. - Séismoscope chinois au IIème siècle ? - XIXème siècle : premières hypothèses pour un lien entre séisme et propagation des ondes. L’énergie libérée par un séisme peut être enregistrée en plusieurs points sur Terre. - Premier sismogramme enregistré à Potsdam le 17 Avril 1889. C.Grigné - UE Terre Profonde 19 II - 1 Introduction • L’énergie libérée pendant un séisme (ou autre source) génère des ondes élastiques qui se propagent dans les différentes enveloppes de la Terre. • Les ondes sont détectées en surface : sismomètre. C.Grigné - UE Terre Profonde 20 II - 1 Introduction • L’énergie libérée pendant un séisme (ou autre source) génère des ondes élastiques qui se propagent dans les différentes enveloppes de la Terre. • Les ondes sont détectées en surface : sismomètre. • Principe du sismomètre : - Une masse inertielle, se déplaçant par rapport à un cadre attaché au sol. - Une technique d’enregistrement du mouvement relatif du cadre et de la masse inertielle. C.Grigné - UE Terre Profonde 20 II - 1 Introduction • L’énergie libérée pendant un séisme (ou autre source) génère des ondes élastiques qui se propagent dans les différentes enveloppes de la Terre. • Les ondes sont détectées en surface : sismomètre. • Principe du sismomètre : - Une masse inertielle, se déplaçant par rapport à un cadre attaché au sol. - Une technique d’enregistrement du mouvement relatif du cadre et de la masse inertielle. • Sismomètres anciens : enregistrements papier • Sismomètres actuels : signal électrique - soit le mouvement relatif est calculé - soit la masse est maintenue immobile par rapport au cadre et la force nécessaire est utilisée pour calculer le mouvement C.Grigné - UE Terre Profonde 20 II - 1 Introduction • L’énergie libérée pendant un séisme (ou autre source) génère des ondes élastiques qui se propagent dans les différentes enveloppes de la Terre. • Les ondes sont détectées en surface : sismomètre. • Principe du sismomètre : - Une masse inertielle, se déplaçant par rapport à un cadre attaché au sol. - Une technique d’enregistrement du mouvement relatif du cadre et de la masse inertielle. • Sismomètres anciens : enregistrements papier • Sismomètres actuels : signal électrique - soit le mouvement relatif est calculé - soit la masse est maintenue immobile par rapport au cadre et la force nécessaire est utilisée pour calculer le mouvement C.Grigné - UE Terre Profonde 20 II - 1 Introduction Détection des mouvements du sol dans les trois directions de l’espace : • Horizontale NS • Horizontale EO • Verticale (Z or V) C.Grigné - UE Terre Profonde 21 II - 2 Ondes C.Grigné - UE Terre Profonde 22 II - 2 Ondes Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - UE Terre Profonde 23 II - 2 Ondes Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - UE Terre Profonde 23 II - 2 Ondes Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - UE Terre Profonde 23 II - 2 Ondes Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - UE Terre Profonde 23 II - 2 Ondes Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - UE Terre Profonde 23 II - 2 Ondes Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - UE Terre Profonde 23 II - 2 Ondes Propagation des ondes Station Epicentre Hypocentre C.Grigné - UE Terre Profonde 23 II - 2 Ondes Propagation des ondes Station Rai Epicentre Hypocentre Front d’onde C.Grigné - UE Terre Profonde 23 II - 2 Ondes Propagation des ondes Station Rai Epicentre Hypocentre ∆ ∆ : distance Front d’onde épicentrale C.Grigné - UE Terre Profonde 23 II - 2 Ondes • Front d’onde : surface sphérique centrée sur la source et partant dans toutes les directions • Rais : lignes reliant la source à la station, et perpendiculaires au front d’onde • Hypocentre : lieu de la source • Epicentre : projection de l’hypocentre à la surface • Distance épicentrale : l’angle, depuis le centre de la Terre, entre l’hypocentre/épicentre et la station sismologique C.Grigné - UE Terre Profonde 24
