Le magnétisme terrestre

STRUCTURE INTERNE
DE LA TERRE
Eric LECOIX, Oct 2013
I – Des premières représentations au modèle actuel
II – Apport de la sismologie
III – Le manteau
IV – Le noyau
V – Le magnétisme terrestre
VI – Planétologie comparée
Quelques représentations anciennes de la structure du globe
La vision Aristote (IVème siècle av. J.-C ) s'inscrit dans la théorie des quatre éléments :
La Terre est exclusivement formée de l'élément terre ; elle est entourée d'eau, puis d'air
et enfin d'une couche de feu. Au delà, c'est le monde des astres et de l'éternité. La partie
superficielle du globe contient des cavités internes et des canaux. Le vent (ou souffle
interne), sortant des cavités, provoque des tremblements de terre. Lorsqu'il est broyé en
petites particules, il prend feu et donne des volcans.
Quelques représentations anciennes de la structure du globe
D’après Athanasius Kircher (1602-1680, la Terre possède un foyer central impétueux, à
peine dompté, relié aux volcans de la surface par des conduits de feu avec des réserves
intermédiaires, les « pyrophylacies ». Les volcans manifestent l'activité interne du globe, ce
sont des soupiraux par lesquels s'échappe le feu intérieur.
www.kunstkammer.at/kircher.htm
Il est surprenant de constater la persistance de certaines représentations…
Conceptions d'élèves de …….
Les schémas qui suivent ont été obtenues par la consigne : "Représentez la structure de la Terre. Votre schéma doit expliquer l'origine de la lave
émise par les volcans", dans une classe de …………… en début d'année.
Il est surprenant de constater la persistance de certaines représentations…
Conceptions d'élèves de …….
Les schémas qui suivent ont été obtenues par la consigne : "Représentez la structure de la Terre. Votre schéma doit expliquer l'origine de la lave
émise par les volcans", dans une classe de …………… en début d'année.
1ere S
Cela serait il dû à un décalage entre « la science qui se fait » et «la science qui
s’enseigne » ?
Illustration d’un livre de
sciences naturelles de 1940
Chadefaud M. Régnier V. 1940. Sciences naturelles. Delagrave, Paris : 231
Cela serait il dû à un décalage entre « la science qui se fait » et «la science qui
s’enseigne » ?
Et pourtant…
En 1912, Beno Gutenberg repositionne
la discontinuité noyau/manteau vers
2900 km de profondeur (valeur adoptée
de nos jours) à partir de données
sismiques.
(il découvre la zone d’ombre en
étudiant la propagation des ondes P)
En 1936, Inge Lehmann découvre que le noyau
liquide de la Terre contient une partie centrale
distincte : la graine. La « zone d'ombre » entre
105 et 142° n'est pas entièrement vide mais on y
observe l'arrivée d'ondes P, interprétées comme
des ondes diffractées à la frontière du noyau.
Lehmann montre que ces ondes reçoivent une
explication bien plus satisfaisante si l'on suppose
qu'elles ont été réfléchies à la surface d'une
partie centrale.
On est tout de même assez loin du modèle proposé dans l’ouvrage de 1940 !!!
Qu’en est il du modèle actuel ?
I – Des premières représentations au modèle actuel
II – Apport de la sismologie
III – Le manteau
IV – Le noyau
V – Le magnétisme terrestre
VI – Planétologie comparée
Qu’est ce qu’un séisme ?
Sous l’effet des diverses contraintes, un corps rocheux peut lentement accumuler de
l'énergie élastique. Sa brutale libération le long d’une faille par rupture, accompagnée
d'un brusque mouvement relatif des deux compartiments rocheux qu’elle sépare et
initiée en un point appelé foyer, engendre un séisme. De l’énergie est alors libérée
sous forme de chaleur et de vibrations qui se propagent dans les roches de proche en
proche, encore appelées ondes sismiques. Les fronts d’onde matérialisent les
positions successives des matériaux qui entrent en vibration simultanément autour du
foyer. Les rais sismiques symbolisent les directions de propagation des ondes et sont
en tout point perpendiculaires aux fronts
Faille
Différents types d’ondes
Lorsque, dans un milieu homogène, de l’énergie sismique est brutalement relâchée en un
point P près de la surface…,
…une partie de l’énergie
est propagée à l’intérieur
du milieu
Ondes de volume
-Obéissent à la loi de Snell (réfléchies et
transmises aux interfaces où varient la
vitesse sismique et la densité)
Ondes de
compression P
(P = primaires)
Ondes de
cisaillement S
(S = secondaires)
Ne se propagent pas
dans les liquides
… l’autre partie se disperse
à la surface
Ondes de surface L
-Générées par des séismes de faible
profondeur
-Plus lentes que les ondes de volume
Ondes de
Rayleigh R
Ondes de
Lowe G
Ondes de volume
Ondes de surface L
Sciences de la Terre et de l’Univers, A Brahic, M Hoffert, A Schaaf, M Tardy
Géologie, objets, méthodes et modèles – J Dercourt, J Paquet, P Thomas, C Langlois
http://raymond.rodriguez1.free.fr
Vitesse de propagation des ondes sismiques
K = module d'incompressibilité en Kbar (variation de densité selon la pression)
= le module de cisaillement en Kbar (mesure la rigidité)
ρ = masse volumique (en g/cm3)
Vitesse exprimée en Km/s
REMARQUE: Quand on s'enfonce dans le sol, la masse volumique des matériaux
augmente (en particulier parce que la pression augmente) donc d’après la formule, la
vitesse des ondes devrait diminuer. Mais quand la pression augmente, Κ et μ (au
numérateur) augmentent plus que ρ. Donc la vitesse des ondes P augmente avec la
profondeur.
Les hodographes
Les enregistrements des ondes sismiques réalisés dans diverses stations sismiques à
la surface du globe, et issus de multiples séismes aux localisations très diversifiées,
ont permis la construction d’hodographes qui sont tous très semblables. Ceci permet
de formuler l’hypothèse d’une symétrie sphérique pour l’organisation interne du
globe.
Loi de Snell
V2 > V1
Un rai sismique se comporte comme un rayon lumineux
Lors d'un changement de milieu de propagation un rai incident (P ou S) subit une réflexion,
une réfraction accompagnée d'une variation de vitesse. Cela permet de révéler des discontinuités physiques
dans les milieux traversés.
Les raies sismiques, tels des rais lumineux, obéissent à la loi de Snell:
Sin (r) = (V2/V1) . sin (i)
En pénétrant plus en profondeur dans un milieu de même composition, les ondes sismiques évoluent dans un
matériau de plus en plus dense, et leur vitesse tendent à augmenter ; les angles d’incidence et de réfraction
augmentent donc également : les rais sismiques des ondes de volume qui traversent le globe en profondeur ont,
en première approximation, une forme courbe.
Loi de Snell
Si la masse volumique augmente en profondeur  vitesse de propagation augmente 
angle de réfraction augmente  Les rais sismiques des ondes de volume ont une forme
courbe
Profils de vitesse
En appliquant la loi de Snell (identique à la loi de Descartes pour les rayons lumineux):
Sin (iz)/Vz = constante
avec iz = angle d’incidence ou de réfraction
Et Vz = vitesse de propagation de l’onde à la profondeur z
...il est alors possible de proposer des profils de vitesse (loi de variation de V en fonction
de la profondeur) qui permettent de rendre compte au mieux des hodographes obtenus.
ATTENTION:
Les hodographes sont obtenus par
des séries de mesures réelles alors
que les profils de vitesse sont déjà
des modèles !
Mise en évidence d’une discontinuité: le Moho
Mohorovicic (1909) fait le raisonnement suivant. Puisque les ondes Pg et Pn sont de même nature (ondes P de
compression-dilatation) elles se propagent donc à la même vitesse. Puisque les ondes Pg et Pn partent en même
temps (heure du séisme), qu'elles se propagent à la même vitesse et qu'elles n'arrivent pas en même temps,
elles ont forcément traversé des milieux différents et ont donc emprunté des chemins différents.
Pn = onde conique
PnP= onde réfléchie
Pg = onde directe
Les ondes Pg suivent un trajet direct. Les ondes Pn s'enfoncent dans la croûte (le sial à l'époque) et atteignent
un milieu différent, le manteau (le sima à l'époque), de densité supérieure. Elles subissent alors une rélexion et
une réfraction. Quand la somme de l'angle d'incidence et de l'angle de réflexion est égale à 90°(incidence
limite) l'angle de réfraction est alors tel que le rai réfracté est parallèle à la surface. Les ondes réfractées
accélèrent et, bien qu'elles aient un trajet plus long, doublent les ondes Pg si la distance de la station à
l'épicentre est suffisante (station 6 par exemple).
 Discontinuité physique = discontinuité de Mohorovicic = Moho.
Calcul de la profondeur du Moho
Calcul de la profondeur du Moho
Exemple de sismogramme
= retard entre les ondes directes
P et les ondes réfléchies PMP
Attention aux confusions !
=
Discontinuité = correspond à une
interprétation structurale de la
discontinuité observée
Croûte
continentale
(granitoïdes)
Croûte océanique
(Basaltes, gabbros)
Moho
Manteau (Péridotite)
Lithosphère
Anomalies = modification
brutale des vitesses des
ondes sismiques en
fonction de la profondeur
Attention aux confusions !
=
Moho pétrographique, marqueur
d’une véritable limite entre
Roches de la croûte (granitoïdes
pour simplifier) et péridotite du
manteau
Croûte
continentale
(granitoïdes)
Croûte océanique
(Basaltes, gabbros)
Moho
Manteau (Péridotite)
Lithosphère
Moho sismologique = zone
d’augmentation brutale de la
vitesse des ondes sismiques
Discontinuité Manteau / noyau
Une discontinuité à la base du manteau (Beno Gutenberg, 1912)
Les ondes P émises par un séisme sont enregistrées normalement jusqu'à la distance
épicentrale de 105°.Entre 105 et 142°, les ondes P ne sont plus observées, puis à 142°, elles
réapparaissent. C'est le phénomène de zone d'ombre que Gutenberg explique comme le
résultat de la réfraction des ondes P à travers une discontinuité marquant une chute
brutale de la vitesse des ondes.
La discontinuité physique entre manteau et noyau est appelée la discontinuité de
Gutenberg et se situe à 2 900 km de profondeur, le manteau représente donc 84% du
volume de la Terre.
La discontinuité de Lehmann, située vers 5 100 km entre le noyau et la graine, a été
découverte en 1936.
Nomenclature des ondes sismiques
Nomenclature pour les réflexions
c : réflexion sur l'interface manteau-noyau externe
i : réflexion sur l'interface noyau externe- noyau interne
p : réflexion des ondes P à la surface du globe, à proximité du séisme
s : réflexion des ondes S à la surface du globe, à proximité du séisme
Nomenclature pour les ondes
P : ondes P dans le manteau
S : ondes S dans le manteau
K : onde P dans le noyau externe
I : onde P dans le noyau interne
J : onde S dans le noyau interne
D’après ENS Lyon
La LVZ
L’existence d’une zone d’ombre pour les ondes P et S, localisée entre 100 et
1 000 km de distance à l’épicentre, permet de positionner une zone de ralentissement
de ces ondes entre 120 et 200 km de profondeur: probablement constituée de
matériaux plus déformables, cette zone à plus faible vitesse appelée LVZ (Low Velocity
Zone) sépare la lithosphère globalement rigide, constituée de la croûte et du manteau
supérieur lithosphérique, du manteau plus profond dont elle constitue la frange
superficielle la plus ductile (c’est-à-dire susceptible de se déformer par étirement sans
se casser).
La LVZ
Variation de vitesse des ondes P et S sous les continents (a) et sous les océans (s)
LVZ
LVZ
Ne pas confondre asthénosphère et LVZ !!!
0
30
50
0
2
Vitesse (km/s)
10
4
6
8
Moho
150
LVZ
200
250
Ondes S
Ondes P
300 Profondeur (km)
Vp et Vs domaine continental
Asthénosphère
100
LVZ = Zone de l'asthénosphère (entre -100
et -200 km) où on observe souvent un net
ralentissement de la vitesse des ondes
sismiques.
La LVZ marque donc la zone sommitale de
l’asthénosphère.
La distinction entre la lithosphère et l’asthénosphère est essentiellement « thermique »:
-Dans la lithosphère, la chaleur se propage par conduction, alors que dans l'asthénosphère la
chaleur est transmise par conduction mais aussi par convection.
-La limite lithosphère/asthénosphère correspond approximativement à l'isotherme 1 300°C.
La limite inférieure de l'asthénosphère est à -700 km environs.
Croûte
continentale
Moho
Croûte océanique
Manteau lithosphérique rigide
Isotherme 1300 °C
Asthénosphère ductile
Lithosphère
SYNTHESE: Le Modèle PREM
Cette échographie sismique de la Terre a donc permis de proposer un modèle structural à
symétrie Sphérique ; Dziewonski et Anderson (1981) se sont essayés à cet exercice en
proposant le modèle PREM (PreliminaryReference Earth Model), qui est un modèle de
profil de vitesse dans lequel les sauts brusques de vitesse sont interprétés comme des
discontinuités limitant des enveloppes concentriques.
Moho
Croute  Manteau
Gutemberg
Manteau  Noyau
Lehman
Noyau ext  Graine
Changement de
composition
chimique
Changement
d’état physique
LVZ
Lithosphère  asthénosphère
Changement de
comportement mécanique
Lehman
Gutemberg
Les discontinuités: synthèse
Croûte
Croûte / Manteau ………………………………Moho : Mohorovičic, 1909
P (Gpa)
Manteau sup.
100±20 km ……………………………………….Hales, 1991
L.V.Z.
220 km ……………………………………………Lehmann, 1961, 1964
7
Manteau sup.
410 km …………………………………………….Jeffreys, 1936
14
Zone de transition
670 km …………………………………………….Niazi et Anderson, 1965
24
Manteau inf.
Manteau / Noyau - 2900 km ……………………...Gutenberg, 1914 ; Couche D’’ (*)
135
Noyau Externe
Noyau Ext. / Int. - 5145 km ………………………Lehmann, 1936
330
Graine
(*) Dans le modèle terrestre de Bullen (1942), les enveloppes sismologiques sont désignées par une lettre. Le
Manteau inférieur D est divisé en D’ et D’’
D’après JJ Cochemé
D’autres modèles
LVZ
Le modèle PREM n’est pas le seul. Seul le modèle PREM fait apparaître la LVZ.
D’un modèle à l’autre, les petites différences peuvent s’expliquer par la prise en compte ou pas de
l’anisotropie des milieux.
Des études montrent que les vitesses peuvent varier localement selon l’orientation des cristaux….Des mesures
faites sur les vitesses des ondes S ont révélé des flux horizontaux sous les boucliers, et des flux verticaux sous
les dorsales et les zones de subduction… autant de facteurs pouvant modifier les vitesses
L’étude de l’anisotropie des milieux devrait permettre d’affiner les modèles en vigueur.
La tomographie sismique
vitesse diminuée
vitesse
normale
vitesse
augmentée
vitesse
normale
séisme
sect. 2
sect. 1
coupe ‘’sismo-thermique’’ déduite de
du traitement informatique des
vitesses des ondes
foyer
Manteau
sect.1 : secteur où les ondes sont accélérées
sect.2 : secteur ou les ondes sont ralenties
+ froid
+ chaud
La tomographie sismique permet d’établir des "coupes" du globe terrestre grâce à une analyse des vitesses de
propagation des ondes sismiques. Les vitesses enregistrées dépendent, notamment, des caractéristiques physiques
du milieu traversé (température, pression):
« Si une onde sismique traverse un milieu dont les propriétés physiques (densité, modules élastiques) différent de
celles du modèle moyen (par exemple PREM), elle arrivera en retard ou en avance (temps résiduel) par rapport aux
prédictions de ce modèle. On en déduit alors des cartes de variations de VP et VS par rapport au modèle (notons que
l'établissement de ces cartes nécessite la donnée d'un grand nombre de temps de parcours). »
D’après futura-sciences et CNRS
La tomographie sismique
Sur chaque image, les régions colorées en rouge correspondent aux régions anormalement chaudes, la vitesse des
ondes est inférieure à la vitesse "normale". Les zones colorées en bleu montrent des régions « froides » ; les ondes
s’y propagent rapidement.
Ces zones froides correspondent aux plaques océaniques subduites dans la manteau.
NB : ces images semblent indiquer que la plaque plongeante peut s’enfoncer jusqu’à l’interface manteau-noyau
(CMB : Core mantel boundary).
D’après futura-sciences et CNRS
Tomographie sismique à l’aplomb de l’Islande
D’après ENS Lyon
I – Des premières représentations au modèle actuel
II – Apport de la sismologie
III – Le manteau
IV – Le noyau
V – Le magnétisme terrestre
VI – Planétologie comparée
Le manteau
-Le manteau représente 80% du volume de la Terre (55% pour
le manteau inférieur)
- Il est solide puisque les ondes S s’y propagent partout.
- A partir de données sismiques: limite supérieure = Moho
(profondeur variable) et limite inférieure = discontinuité de
Gutemberg à 2900 Km de profondeur.
-La masse volumique des matériaux crustaux avoisine les 2,8
g/cm3, alors que la masse volumique globale de la planète est
de 5,52 g/cm3
 Manteau constitué de matériaux de densité élevée.
Le manteau
On a pu établir un profil de densité à partir d’échantillons remontés vers la surface
(manteau supérieur) et d’expériences menées avec des presses et cellules à enclume de
diamant.
Géosciences, C Robert, R Bousquet, BELIN 2013
Rhéologie du manteau
Solide, cassant
Solide, ductile
Manteau
lithosphérique
Solide, ductilité maxi
Manteau
asthénosphérique
Manteau
supérieur
Solide, ductile
Jusqu’à 670 Km
Le manteau, une composition péridotitique
1ere approche, simple, pour différencier la composition minéralogique et
chimique du manteau de la croûte:
Exemples de roches crustales
/
exemple de roche mantellique
basalte
Péridotite = roche grenue
holocristalline riche en
olivine + clinopyroxène.
Granite (Q+F+M)
Absence de feldspaths (ou très peu) dans le
Manteau
Une composition péridotitique établie à partir de plusieurs données
Notre connaissance des roches du Manteau supérieur provient de :
• L’étude des complexes ophiolitiques (Oman, Chenaillet…)
• Des enclaves ultrabasiques des basaltes alcalins (Massif Central)
• Des kimberlites (Afrique du Sud)
• Des zones de grandes fractures trans-crustales (océan Atlantique)
Seule la partie la plus superficielle du Manteau supérieur nous est
accessible.
L’ophiolite du Chenaillet
Péridotite serpentinisée (ayant
subi un métamorphisme
hydrothermal)
Les péridotites de l’ophiolite d’Oman
Les péridotites du manteau sont principalement des harzburgites homogènes avec un litage
très marqué. Minéralogie : matrice brunâtre est constituée par l'olivine partiellement
serpentinisée (matrice brunâtre) + orthopyroxènes (cristaux vert-bronze)
L’ophiolite d’Oman, un exemple d’obduction
D’après Gael MARTIN
L’ophiolite d’Oman, un exemple d’obduction
D’après Gael MARTIN
Ophiolite de Bou-Azzer (Atlas Marocain)
La Lherzolite
Péridotite qui affleure autour de l’étang de Lhers (Pyrénées ariégeoises) dont dérive
le terme de lherzolite.
Brèche de lherzolite fracturée
Enclave de péridotite
basalte
péridotit
e
Enclave de péridotite dans un basalte
(Ardèche)
Enclave de péridotite à spinelle dans une bombe
volcanique (Mt Briançon, Devès)
Exemple de composition d’un nodule péridotitique d’un
basalte de Langeac (Auvergne)
D’après JJ Cochemé et P Thoma
Les kimberlites
Les kimberlites sont des roches volcaniques de composition ultrabasique (SiO2<45%) et sont très riches
en H2O et en CO2. Certaines sont diamantifères. On y trouve des fragments de roches (xénolites)
arrachés aux parois de la cheminée ou issus des zones profondes du manteau.
La roche source de laquelle sont issus les magmas kimberlitiques est probablement
une lherzolite à grenat.
Kimberlite à gros cristaux d’olivine
Source : Wikipaedia
Comment classer la péridotite ?
Une péridotite a une structure "grenue", puisque formée de grains (cristaux)
jointifs et sans ciment.
Mais ATTENTION ce n'est :
…ni une roche plutonique,
Un pluton (au sens strict) est une intrusion magmatique venue de plus bas, intrudant des roches
préexistantes.
Les péridotites ne forment pas de pluton : ce ne sont donc pas des roches plutoniques au sens
étymologique et strict du terme.
…ni une roche magmatique.
Magmatique veut dire dérivant du refroidissement et de la solidification (par cristallisation) d'un
magma. Or une péridotite du manteau ne dérive pas de la cristallisation d'un magma.
La variabilité minéralogique du manteau
Au niveau des lithosphères océaniques, on peut échantillonner différents types de
péridotites:
Parmi ces différents types, ce sont les lherzolites qui se rapprochent le plus de ce
que pourrait être la péridotite du manteau.
Péridotites
Olivine
Dunite
Manteau appauvri
Harzburgites et dunites
pourraient matérialiser les
produits réfractaires de
péridotites lherzolitiques ayant
été appauvries par fusion partielle
et extraction de magmas.
Manteau
océanique
Manteau
fertile
Lherzolite
Orthopyroxène
Clinopyroxène
Evolution minéralogique de la péridotite en fonction de la profondeur
Le modèle PREM fait apparaître deux sauts de vitesse vers 410 km, puis vers 670
km de profondeur.
Evolution minéralogique de la péridotite en fonction de la profondeur
Le modèle PREM fait apparaître deux sauts de vitesse vers 410 km, puis vers 670
km de profondeur.
La confrontation des profils de vitesse avec des données
de minéralogie expérimentale (cellules à enclumes de
diamant) a permis de proposer un modèle minéralogique
traduisant des réorganisations minérales en fonction de la
profondeur.
Evolution minéralogique de la péridotite en fonction de la profondeur
Le modèle PREM fait apparaître deux sauts de vitesse vers 410 km, puis vers 670
km de profondeur.
La confrontation des profils de vitesse avec des données
de minéralogie expérimentale (cellules à enclumes de
diamant) a permis de proposer un modèle minéralogique
traduisant des réorganisations minérales en fonction de la
profondeur.
Cela concerne les minéraux constitutifs de la péridotite:
-L’olivine magnésienne (pôle forstérite)
-Le pyroxène (l’enstatite MgSiO3)
-Les minéraux alumineux (plagioclase, spinelle, grenat)
Ces réorganisations minérales génèrent des structure de
haute densité, ce qui explique l’augmentation de densité
en fonction de la profondeur.
Transitions de phase de l’olivine mantellique
L’olivine de basse pression dans le Manteau, comme dans les basaltes, est la
forstérite
(Mg, Fe)2 SiO4 avec Mg / Fe > 9
Nésosilicate orthorhombique
Forstérite (Mg)
Fo 100
Fa 0
olivines (Mg, Fe)
Fayalite (Fe)
Fo 50
Fo 0
Fa 50
Fa 100
Manteau supérieur
Pour la forstérite, dans la gamme
des pressions équivalente à celles
susceptible de régner en profondeur
dans le manteau entre 200 et 700 km
de profondeur et en supposant une
température pour le manteau proche
de 1 700 – 1 800 K (bande bleue) ,
trois changements minéralogiques
peuvent avoir lieu (transitions de
phase)
Manteau inf
Transitions de phase de l’olivine mantellique
670 Km
410 Km
Manteau supérieur
Pour la forstérite, dans la gamme
des pressions équivalente à celles
susceptible de régner en profondeur
dans le manteau entre 200 et 700 km
de profondeur et en supposant une
température pour le manteau proche
de 1 700 – 1 800 K (bande bleue) ,
trois changements minéralogiques
peuvent avoir lieu (transitions de
phase)
Les transitions entre les formes α et β
des olivines puis entre l’olivine γ et la
pérovskite s’accompagnant de
brusques augmentations de densité,
elles peuvent expliquer les sauts dans
le profil de vitesse à 410 et 670 Km.
Manteau inf
Transitions de phase de l’olivine mantellique
670 Km
410 Km
Manteau supérieur
Pour la forstérite, dans la gamme
des pressions équivalente à celles
susceptible de régner en profondeur
dans le manteau entre 200 et 700 km
de profondeur et en supposant une
température pour le manteau proche
de 1 700 – 1 800 K (bande bleue) ,
trois changements minéralogiques
peuvent avoir lieu (transitions de
phase)
Les transitions entre les formes α et β
des olivines puis entre l’olivine γ et la
pérovskite s’accompagnant de
brusques augmentations de densité,
elles peuvent expliquer les sauts dans
le profil de vitesse à 410 et 670 Km.
Par contre la transition entre l’olivine
β et l’olivine γ ne s’accompagne pas
d’un changement suffisant de la
densité pour entrainer un saut de
vitesse significatif.
Manteau inf
Transitions de phase de l’olivine mantellique
Transitions de phase de l’olivine mantellique
Olivine α 
(Mg, Fe)2 SiO4
olivine β (type spinelle)
(Mg, Fe)2 SiO4
 olivine γ
(Mg, Fe)2 SiO4
Structure de plus en plus compacte, avec diminution de la
distance entre les atomes; Tétraèdres SiO4.
SiO4
 pérovskite
MgSiO3
Changement de
structure (encore plus
compacte). Octaèdres
SiO6
SiO6
D’après Presnall et Walter, 1993
Géosciences, C Robert, R Bousquet, BELIN 2013
La pérovskite
La pérovskite (découverte en 1839 par G. Rose) que l’on trouve dans les roches à
la surface du globe est un minéral rare de formule CaTiO3 (titanate de calcium).
Ses gisements : roches alcalines sous-saturées (syénites néphéliniques,
carbonatites, kimberlites, mélilitites) et marbres du métamorphisme de contact.
La structure pérovskite est de type :
A B X3
Dans le Manteau : MgSiO3
A : Ba, K, Ca, Pb, REE (20 éléments)
Cations métalliques
B : Si, Ti … (50 éléments)
X : O, F, Cl, Br (anions non métalliques)
61
La post-pérovskite et la couche D’’
A la base du manteau inférieur, avant
d’attendre la transition manteau / noyau
(2 900 km), la vitesses des ondes sismiques P
et S diminue.
Ce comportement anormal caractérise une
couche D’’ dont l’interprétation demeure
encore controversée:
Couche D’’
-Elle pourrait correspondre à une nouvelle transition de phase:
Pérovskite  Post-pérovskite (structure CaIrO3, encore plus dense (+2%) )
- il s’agirait d’une zone de réactions entre certains constituants du manteau et d’autres du
noyau (analogie avec certaines météorites, les lithosidérites, constituées à la fois de fer et
de silicates)
Transitions de phase de l’enstatite (pyroxène)
Pyroxène
(Ca,Fe,Mg)Si2O6
200
Grenat
(Mg,Fe,Ca)Al2Si3O12
520
Perovskite calcique
CaSiO3
Magnétowustite
(Mg,Fe)O
Comme pour l’olivine, des
expérimentations conduites sur
l’enstatite, pyroxène présent dans le
manteau ont permis de proposer le
modèle minéralogique ci contre.
Transitions de phase des minéraux alumineux
Transitions de phase des minéraux alumineux
Modèle minéralogique pour le manteau déduit de l’échantillonnage, des données
sismologiques et des études de laboratoire
© 2003 Hervé Bertrand
Modèle minéralogique pour le manteau déduit de l’échantillonnage, des données
sismologiques et des études de laboratoire
Géologie toit en un – BCPST, Pierre Peycru
I – Des premières représentations au modèle actuel
II – Apport de la sismologie
III – Le manteau
IV – Le noyau
V – Le magnétisme terrestre
VI – Planétologie comparée
Le noyau, un composition chimique délicate à établir
Contrairement au manteau, on ne connait aucun échantillon de roche terrestre ayant
pour origine le noyau
Pour proposer un modèle chimique, on se base donc sur des méthodes indirectes:
Le noyau, un composition chimique délicate à établir
Contrairement au manteau, on ne connait aucun échantillon de roche terrestre ayant
pour origine le noyau
Pour proposer un modèle chimique, on se base donc sur des méthodes indirectes:
- L’étude de la propagation des ondes sismiques (La composition chimique doit être en
accord avec le modèle PREM)
-L’étude des météorites
REMARQUE : Le noyau doit être également constitué de matériaux pouvant rendre
compte de l’existence d’un champ magnétique sur Terre puisque les autres constituants
des enveloppes plus externes ne peuvent en être responsables.
Le noyau, un composition chimique délicate à établir
Contrairement au manteau, on ne connait aucun échantillon de roche terrestre ayant
pour origine le noyau
Pour proposer un modèle chimique, on se base donc sur des méthodes indirectes:
- L’étude de la propagation des ondes sismiques (La composition chimique doit être en
accord avec le modèle PREM)
-L’étude des météorites
REMARQUE : Le noyau doit être également constitué de matériaux pouvant rendre
compte de l’existence d’un champ magnétique sur Terre puisque les autres constituants
des enveloppes plus externes ne peuvent en être responsables.
Historique :
• Mis en évidence en 1906 par R.D. Holdham
• En 1914, B. Gutenberg donne sa profondeur : 2900 km
• En 1936, I. Lehmann démontre l’existence de la graine
• En 1952, F. Birch montre que le Noyau est composé de fer
La loi de Birch
En 1961, Birch établit des relations entre vitesse de propagation des ondes et densité de
différents matériaux.
Il montre que pour atteindre la densité du noyau (qui doit être proche de 10), il faudrait
comprimer les silicates à des pressions nettement plus élevées que celles régnant au
centre de la Terre.
Par contre, on peut atteindre de telles densités (et les vitesses de propagations
correspondantes) en considérant un noyau principalement constitué de fer (ce qui est
égelement cohérent avec l’existence du champ magnétique)
Évolution de la vitesse des
ondes sismiques en fonction
de la densité pour un certain
nombre d’éléments
chimiques.
Sciences de la Terre et de l’Univers, A Brahic, M Hoffert, A Schaaf, M Tardy
L’apport de l’étude des météorites
On connaît 3 catégories de météorites:
-Les chondrites (80 à 85 % des météorites recensées)
Elles sont formées de globules silicatés de taille millimétrique, les chondres, dont la
composition inclut olivines, pyroxènes, plagioclases noyés dans une matrice silicatée
enrichie de fer, de nickel et de soufre.
L’apport de l’étude des météorites
On connaît 3 catégories de météorites:
-Les chondrites (80 à 85 % des météorites recensées)
Elles sont formées de globules silicatés de taille millimétrique, les chondres, dont la
composition inclut olivines, pyroxènes, plagioclases noyés dans une matrice silicatée
enrichie de fer, de nickel et de soufre.
- Les achondrites (7 à 8 %)
Pas de chondres. Moins riches en métaux (Fe et Ni) ; On en connaît deux types
principaux, les eucrites de composition basaltique et les aubrites de composition
péridotitique.
L’apport de l’étude des météorites
On connaît 3 catégories de météorites:
-Les chondrites (80 à 85 % des météorites recensées)
Elles sont formées de globules silicatés de taille millimétrique, les chondres, dont la
composition inclut olivines, pyroxènes, plagioclases noyés dans une matrice silicatée
enrichie de fer, de nickel et de soufre.
- Les achondrites (7 à 8 %)
Pas de chondres. Moins riches en métaux (Fe et Ni) ; On en connaît deux types
principaux, les eucrites de composition basaltique et les aubrites de composition
péridotitique.
-Les météorites ferreuses (de 7 à 8 %)
Elles ne contiennent pas de chondres non plus mais sont essentiellement
composées d’un alliage Fe-Ni avec 5 à 10 % de Ni ;
La plupart ne contiennent que cet alliage  sidérites,
Quelques-unes contiennent Fe-Ni + un peu de silicates  sidérolites
L’apport de l’étude des météorites
Rappel sur la formation de la Terre:
La formation de la Terre, contemporaine de celle des autres planètes du système
solaire, s’est réalisée à partir de la condensation d’un nuage de poussières
Interstellaires qui ont donné des petits corps (planétésimaux).
Ces planétésimaux gravitent autour du Soleil sur des orbites plus ou moins
stabilisées: les collisions sont fréquentes et suivant les cas, ils se cassent, se
capturent les uns les autres, les plus massifs « absorbant » les plus petits et
conduisant alors à un nombre réduit de corps plus volumineux, les planètes.
L’apport de l’étude des météorites
Rappel sur la formation de la Terre:
La formation de la Terre, contemporaine de celle des autres planètes du système
solaire, s’est réalisée à partir de la condensation d’un nuage de poussières
Interstellaires qui ont donné des petits corps (planétésimaux).
Ces planétésimaux gravitent autour du Soleil sur des orbites plus ou moins
stabilisées: les collisions sont fréquentes et suivant les cas, ils se cassent, se
capturent les uns les autres, les plus massifs « absorbant » les plus petits et
conduisant alors à un nombre réduit de corps plus volumineux, les planètes.
Cette seconde phase d’évolution des planétésimaux en planètes est aussi appelée
phase d’accrétion planétaire ; elle semble être accompagnée d’une phase de
différenciation au cours de laquelle, pour la Terre, les éléments chimiques les plus
lourds (Fe, Ni) se rassemblent vers le centre par gravité et forment son noyau, alors
que les éléments plus légers (O, Si, Al, Ca, Na et K) demeurent à la surface dans
son manteau.
L’apport de l’étude des météorites
- Les chondrites, âgées de 4,56 à 4,55 Ga, seraient issues de la dislocation de planétésimaux
au cours de collisions « sans capture ». Elles sont représentatives des matériaux non
différenciés qui ont donné les planètes du système solaire (dont la Terre)
L’apport de l’étude des météorites
- Les chondrites, âgées de 4,56 à 4,55 Ga, seraient issues de la dislocation de planétésimaux
au cours de collisions « sans capture ». Elles sont représentatives des matériaux non
différenciés qui ont donné les planètes du système solaire (dont la Terre)
- Les achondrites et les météorites ferreuses, plus récentes (âges compris entre 4,53 et
4,50 Ga), correspondraient quant à elles à la fragmentation de planètes déjà différenciées
au cours de collisions plus tardives.
L’apport de l’étude des météorites
-La composition globale des chondrites révèle qu’elles sont beaucoup plus riches en Fer
et Ni que la composition globale du manteau terrestre.
Les chondrites ayant une composition globale qui reflète celle de la Terre
 Fe et Ni doivent être beaucoup plus présents dans le noyau terrestre.
L’apport de l’étude des météorites
- Les achondrites et les météorites ferreuses permettent de confronter les modèles
déduits des données sismologiques concernant la chimie des enveloppes les plus
profondes de la Terre (achondrites pour le manteau et la croûte, météorites ferreuses
pour le noyau)
L’apport de l’étude des météorites
-L’étude au laboratoire des alliages de fer et de nickel dans différentes proportions
montre que la répartition de 93 % et 7 % (en % massique) est cohérent avec le profil de
vitesse du noyau.
-Cette proportion Fe Ni est également compatible avec l’existence d’une couche
externe fondue et d’un coeur solide (valable si la température au niveau de la
discontinuité de Lehman est voisine de 5 000 K.
Quelques remarques
Des calculs montrent que, du fait du refroidissement du noyau, la graine grossit
d’environ 500 km par milliard d’années ; ce coeur solide ne serait donc guère plus vieux
que 2 Ga et la discontinuité de Lehman n’est donc pas fixe à l’échelle des temps
géologiques. Le modèle que nous décrivons pour la structure du globe est donc celui
d’une structure en évolution permanente.
Quelques remarques
Le noyau terrestre n’est pas uniquement constitué par l’alliage fer-nickel car sa
densité à haute pression, mesurée en laboratoire, donne des valeurs plus élevées
que celles déduites des ondes de choc (acoustiques) dans le noyau externe. Il faut
donc ajouter au fer environ 10 % d’éléments plus légers (Si, S, O, C, H) pour rendre
compte de cette différence.
Quelques remarques
Le noyau terrestre n’est pas uniquement constitué par l’alliage fer-nickel car sa
densité à haute pression, mesurée en laboratoire, donne des valeurs plus élevées
que celles déduites des ondes de choc (acoustiques) dans le noyau externe. Il faut
donc ajouter au fer environ 10 % d’éléments plus légers (Si, S, O, C, H) pour rendre
compte de cette différence.
On suppose que le noyau s’est formé lorsque le corps planétaire était encore très
chaud, sans doute presque totalement liquide (l’accrétion et les plus grands impacts
d’astéroïdes ont fourni suffisamment d’énergie). La phase métallique plus dense s’est
séparée de la phase liquide silicatée plus légère, à la manière de l’huile qui se sépare
de l’eau, pour migrer vers le centre et donner le noyau.
Quelques remarques
La datation des achondrites et les météorites ferreuses (donc différenciées) permet de
supposer que les premières planètes différenciées ont existé 20 à 30 MA après que
leur accrétion ait eu lieu. La phase de différenciation s’est donc faite probablement
rapidement après la formation des planètes.
I – Des premières représentations au modèle actuel
II – Apport de la sismologie
III – Le manteau
IV – Le noyau
V – Le magnétisme terrestre
VI – Planétologie comparée
Le magnétisme terrestre
Le champ magnétique terrestre est comparable à celui d’un dipôle magnétique.
Ses caractéristiques:
-Déclinaison (angle entre la composante horizontale du champ et le Nord géographique)
-Inclinaison (angle entre la composante horizontale du champ et la direction du champ
total qui dépend de la latitude
-Intensité (en nanotesla)
Exemple: en France, 6°, 64° et 46 000 nT
N
S
N
S
Sciences de la Terre et de l’Univers, A Brahic, M Hoffert, A Schaaf, M Tardy
Le magnétisme terrestre
La magnétosphère
-Géométrie contrôlée par les vents solaires (comprimée du côté du Soleil)
-Cornets polaire et ceintures de Van Allen protège la biosphère en piégeant les particules
de haute énergie (protons et électrons) émises par le Soleil.
-La magnétopause est la limite d’influence du champ magnétique
Représentation simplifiée de la magnétosphère terrestre
Eq.m. = équateur magnétique; CVA : ceintures de Van Allen
Sciences de la Terre et de l’Univers, A Brahic, M Hoffert, A Schaaf, M Tardy
Le magnétisme terrestre
La magnétosphère
Les cornets polaires agissent comme des entonnoirs dans lesquels les particules électrisées
du vent solaire peuvent pénétrer et provoquer l'apparition d'aurores polaires.
Source : Wikipedia
Le magnétisme terrestre
La géodynamo
Champ magnétique
Interaction
Géodynamo
auto-excitée
Croissance de la
graine au dépends
de la partie liquide
Mouvements de
convection (fer ionisé)
dans le noyau liquide
Libération de chaleur
latente de
solidification
Cristallisation du fer
+
Courants
électriques
induits
Le magnétisme terrestre
La géodynamo
Champ magnétique
Interaction
Géodynamo
auto-excitée
+
Courants
électriques
induits
Mouvements de
convection (fer ionisé)
dans le noyau liquide
Des questions en suspens :
Pourquoi le champ est il dipolaire ?
Croissance de la
graine au dépends
de la partie liquide
Libération de chaleur
latente de
solidification
Quelles sont les causes des
inversions du champ magnétique ?
Cristallisation du fer
 La géodynamo ne fait pas appel à un aimant permanent. Les températures de plusieurs
milliers de degrés (> point de Curie, 770°C pour le fer), font perdre à tout aimant ses
propriétés magnétiques.
Le magnétisme terrestre
Aimantation rémanante
Certains corps dits « ferromagnétiques », en présence d’un champ magnétique, peuvent
acquérir une aimantation et la garder en mémoire (aimantation rémanante)
C’est le cas des éléments: Fe, Ni, Co, Mn et des minéraux: magnétite, hématite
L’aimantation rémanante est acquise qu’en dessous d’une température (TC = point de
Curie, 770°C pour le fer, 585°C pour la magnétite)
Au dessus du point de Curie, le matériau perd ses propriétés magnétiques
Tige en fer
Aimant
T > TC
Tige en fer
Aimant
Le magnétisme terrestre
Aimantation rémanante
Certains corps dits « ferromagnétiques », en présence d’un champ magnétique, peuvent
acquérir une aimantation et la garder en mémoire (aimantation rémanante)
C’est le cas des éléments: Fe, Ni, Co, Mn et des minéraux: magnétite, hématite
L’aimantation rémanante est acquise qu’en dessous d’une température (TC = point de
Curie, 770°C pour le fer, 585°C pour la magnétite)
Au dessus du point de Curie, le matériau perd ses propriétés magnétiques
Tige en fer
Aimant
T > TC
Tige en fer
Aimant
T < TC
Le magnétisme terrestre
Dans le cas d’une roche magmatique, l’aimantation est acquise lors du refroidissement du
magma, lorsque sa température passe en dessous du point de Curie (généralement
lorsque le matériau est à l’état solide).
L’aimantation est acquise par les mouvements ou « spins » des électrons célibataires
des atomes (de Fer par exemple)
… et non pas par des réorientations de minéraux dans une phase liquide, qui
se comportent comme de mini-boussoles !
Le magnétisme terrestre
Dans le cas d’une roche magmatique, l’aimantation est acquise lors du refroidissement du
magma, lorsque sa température passe en dessous du point de Curie (généralement
lorsque le matériau est à l’état solide).
L’aimantation est acquise par les mouvements ou « spins » des électrons célibataires
des atomes (de Fer par exemple)
… et non pas par des réorientations de minéraux dans une phase liquide, qui
se comportent comme de mini-boussoles !
Réorientation des cristaux
Lave
Lave
Solidification
Roche volcanique
Le magnétisme terrestre
Dans le cas d’une roche magmatique, l’aimantation est acquise lors du refroidissement du
magma, lorsque sa température passe en dessous du point de Curie (généralement
lorsque le matériau est à l’état solide).
L’aimantation est acquise par les mouvements ou « spins » des électrons célibataires
des atomes (de Fer par exemple)
… et non pas par des réorientations de minéraux dans une phase liquide, qui
se comportent comme de mini-boussoles !
Réorientation des cristaux
Lave
Lave
Solidification
Roche volcanique
CE SCHEMA EST FAUX !!!
Le magnétisme terrestre
Dans le cas d’une roche magmatique, l’aimantation est acquise lors du refroidissement du
magma, lorsque sa température passe en dessous du point de Curie (généralement
lorsque le matériau est à l’état solide).
L’aimantation est acquise par les mouvements ou « spins » des électrons célibataires
des atomes (de Fer par exemple)
… et non pas par des réorientations de minéraux dans une phase liquide, qui
se comportent comme de mini-boussoles !
Réorientation des cristaux
Lave
Lave
Solidification
Roche volcanique
CE SCHEMA EST FAUX !!!
Dans le cas de roches sédimentaires contenant des particules magnétiques, les particules
s’orientent lors du dépôt et la diagenèse, selon le champ magnétique existant.
Les variations temporelles du champ magnétique
Des variations mesurables et enregistrables
-Variations rapides:
Elles sont liées aux variations du rayonnement électromagnétique du Soleil et aux
particules chargées du vent Solaires
Elles peuvent avoir un caractère brutal (orages magnétiques), journalier ou plus lent
(dans ce cas, obéit au cycle d’activité Solaire de 11 ans)
Les variations temporelles du champ magnétique
Des variations mesurables et enregistrables
-Variations rapides:
Elles sont liées aux variations du rayonnement électromagnétique du Soleil et aux
particules chargées du vent Solaires
Elles peuvent avoir un caractère brutal (orages magnétiques), journalier ou plus lent
(dans ce cas, obéit au cycle d’activité Solaire de 11 ans)
-Variations séculaires (dérive lente
d’années en années) :
La déclinaison D varie de quelques
minutes par an dans un sens ou
dans l’autre  les pôles
magnétiques se déplacent
Alain Mazaud , CEA-DSM
Les variations temporelles du champ magnétique
Le paléomagnétisme, cadre historique
L’analyse du paléomagnétisme des roches révèle des inversions du champ magnétique.
-En étudiant des coulées volcaniques d’Auvergne, Brunhes (1903) découvre que non
seulement les laves ont une mémoire magnétique, mais aussi que certaines montrent
des inversions du magnétisme.
Les variations temporelles du champ magnétique
Le paléomagnétisme, cadre historique
L’analyse du paléomagnétisme des roches révèle des inversions du champ magnétique.
-En étudiant des coulées volcaniques d’Auvergne, Brunhes (1903) découvre que non
seulement les laves ont une mémoire magnétique, mais aussi que certaines montrent
des inversions du magnétisme.
-En 1929, le japonais Matuyama ajoute une notion temporelle à ces inversions. Il date
diverses coulées de laves et conclut à l'existence d'inversions multiples à travers les
temps géologiques.
Les variations temporelles du champ magnétique
Le paléomagnétisme, cadre historique
L’analyse du paléomagnétisme des roches révèle des inversions du champ magnétique.
-En étudiant des coulées volcaniques d’Auvergne, Brunhes (1903) découvre que non
seulement les laves ont une mémoire magnétique, mais aussi que certaines montrent
des inversions du magnétisme.
-En 1929, le japonais Matuyama ajoute une notion temporelle à ces inversions. Il date
diverses coulées de laves et conclut à l'existence d'inversions multiples à travers les
temps géologiques.
-En 1963, Morley, Vine et Matthews montrent que des anomalies magnétiques marines
fournissent des preuves de l'expansion océanique
REMARQUE: La datation absolue par la méthode K-Ar est mise au point à la fin des
années 50.
Les variations temporelles du champ magnétique
Paléomagnétisme et expansion océanique
Des mesures du champ magnétique ont été effectuées en surface des océans en utilisant
des magnétomètres embarqués à bord d’avions ou tractés par des navires
océanographiques. Ces mesures ont permis de détecter de légères variations du champ
magnétique.
Océan
Dorsale
Magnétomètre
Sédiments
Intensité mesurée par le
magnétomètre
Basalte
D’après schéma Ac Dijon
Les variations temporelles du champ magnétique
Paléomagnétisme et expansion océanique
Ces écarts ou anomalies, d’amplitudes inférieures ou égales à 1 % du champ total le plus
souvent (en moyenne voisines de 100 nT), ont été interprétés par Morley, Vine et
Matthews (1963) comme résultant de l’ajout ou du retrait au magnétisme actuel d’un
magnétisme « fossile » issu des roches magmatiques du plancher océanique.
Océan
Dorsale
Magnétomètre
Sédiments
Intensité mesurée par le
magnétomètre
Anomalie +
Basalte (flèches indiquent
aimantation normale ou inverse)
intensité du champ
magnétique terrestre actuel
Anomalie Intensité mesurée normalisée
intensité du champ
magnétique terrestre actuel
Anomalie -
Anomalie +
Profil magnétique du lieu
D’après schéma Ac Dijon
Les variations temporelles du champ magnétique
Paléomagnétisme et expansion océanique
Leur distribution symétrique par rapport à l’axe des dorsales et leur parfaite
correspondance avec la succession des périodes et événements du calendrier
paléomagnétique sont à l’origine de l’hypothèse de l’expansion des fonds océaniques
(Sea floor spreading) qui reprend l’idée de Hess (1962) d’une dynamique en « tapis
roulant » des fonds océaniques et l’étaye largement.
Anomalies magnétiques de part et d’autre de
la dorsale de Juan de Fuca
Ax D
T3 : polarité inverse
Ax D
500 
a
b
Ax D
T2 : polarité normale
120
4
60
3
2
60
0
1
0
1
2
120
3
4
Km
MA
T1 : polarité inverse
D’après schéma Ac Dijon
Les variations temporelles du champ magnétique
Paléomagnétisme et expansion océanique
La largueur des bandes d’anomalies dépend de la vitesse d’expansion et de de la durée
pendant laquelle le champ magnétique est resté constant.
Les mesures de distance à la dorsale associées aux âges des anomalies obéissent à une
relation linéaire donnant le demi-taux d’expansion
Pl. Amérique
du Sud
Pl.
Pacifique
10°
Pl. Nazca
Exemple dorsale Pacifique Est
20°
30°
140°
160°
90
80
120°
70
60
100°
50
40
30
80°
20
10
60°
Age des fonds
océaniques (Ma)
0
O-NO
E-SE
Anomalies mesurées
500
400
10
300
8
200
6
100
4
2
0
0
100
2
200
4
6
500
400
300
8
10
Ma
Distance (km)/axe dorsale
Echelle magnéto
stratigraphique (10
millions d’années)
D’après schéma Ac Dijon
Les variations temporelles du champ magnétique
Paléomagnétisme et expansion océanique
La largueur des bandes d’anomalies dépend de la vitesse d’expansion et de de la durée
pendant laquelle le champ magnétique est resté constant.
Les mesures de distance à la dorsale associées aux âges des anomalies obéissent à une
relation linéaire donnant le demi-taux d’expansion
Distance
/dorsale (km)
Dorsale EstPacifique
120
Dorsale Atlantique
80
40
Tps (MA)
0
0
1
2
3
Anomalies magnétiques positives
Anomalies magnétiques négatives
D’après schéma Ac Dijon
Les variations temporelles du champ magnétique
Construction d’une échelle magnétostratigraphique
MA
- 0,2
- 0,8
- 0,9
- 1,7
- 2,2
- 2,6
- 3,0
- 3,4
- 4,1
1. Mesure des inversions au sein d’une
succession de coulées
D’après http://www2.ggl.ulaval.ca
Les variations temporelles du champ magnétique
Construction d’une échelle magnétostratigraphique
Echelle des temps
géologiques
0
Carotte de
forage
- 0,2 Ma
MA
- 0,2
- 0,8 Ma
- 0,8
- 0,9 Ma
- 0,9
- 1,7
- 2,2
- 2,6
- 3,0
- 3,4
- 4,1
- 1,7 Ma
- 2,2 Ma
- 1 Ma
- 2 Ma
2. Datation absolue
- 2,6 Ma
- 3,0 Ma
- 3 Ma
- 3,4 Ma
- 4,1 Ma
- 4 Ma
1. Mesure des inversions au sein d’une
succession de coulées
D’après http://www2.ggl.ulaval.ca
Les variations temporelles du champ magnétique
Construction d’une échelle magnétostratigraphique
Echelle des temps
géologiques
0
Carotte de
forage
- 0,2 Ma
MA
- 0,2
- 0,8 Ma
- 0,8
- 0,9 Ma
- 0,9
- 1,7
- 2,2
- 2,6
- 3,0
- 1,7 Ma
- 2,2 Ma
- 1 Ma
- 2 Ma
2. Datation absolue
- 2,6 Ma
- 3,4
- 4,1
- 3,0 Ma
- 3 Ma
- 3,4 Ma
Évènements
1. Mesure des inversions au sein d’une
succession de coulées
Laschamp
Époques
- 4 Ma
brunhes
(normal)
- 0,69
Jaramillo
Gilsa
- 4,1 Ma
0
- 1 Ma
matuyama
(inverse)
- 2 Ma
Olduvai
- 2,43
Kaena
3. Synthèse à partir de plusieurs études locales
 Echelle magnétostratigraphique
Mammoth
gauss
(normal)
- 3 Ma
- 3,32
Cochiti
Nunivak
Gilbert
(inverse)
- 4 Ma
D’après http://www2.ggl.ulaval.ca
Les variations temporelles du champ magnétique
Construction d’une échelle magnétostratigraphique
On possède actuellement une chronologie détaillée des inversions pour les 180 derniers
MA.
n° anomalie
pleistocene
pliocene
MIO
messinien
CEN
tortonien
E
Serravallien
langhien
2
âge (MA)
0
4
10
EOC
ENE
6
6
EOC
ENE
priabonien
âge (MA)
80
34
coniacien
turonien
90
CRE
TAC
E
INF
ERIE
UR
ypresien
22
50
aptien
M0
hauterivien
M4
M6
M8
M10
valanginien
M12
M14
24
110
120
130
berriasien
26
28
100
albien
M2
lutetien
thanetien
santonien
barremien
40
danien
CR
ET
AC
E
SU
P.
10
12
30
14
16
18
20
bartonien
PAL
EOC
ENE
20
chattien
rupelien
n° anomalie
campanien
cenomanien
burdigalien
aquitanien
CR
ET
AC
E
SU
P.
60
30
JUR
ASSI
QU
E
M16
tithonien
kimmeridgien
maestrichtien
M18
140
M20
M22
32
70
Oxfordien
M24
150
campanien
80
Callovien
160
D’après Schéma Ac Dijon
Les variations temporelles du champ magnétique
Construction d’une échelle magnétostratigraphique
On possède actuellement une chronologie détaillée des inversions pour les 180 derniers
MA.
Elles montrent que:
-Les durées des périodes normales et
inverses sont très variables au cours
du temps (de l’odre de 100 000 ans à
plusieurs dizaines de MA)
-La fréquence des inversions change
au cours du temps
-Pendant le Crétacé, les inversions ont
été rares ou absentes
CRETACE
65 MA
145 MA
REMARQUE : On suppose que pendant les inversions, le champ magnétique décroit
jusqu’à 20% de sa valeur normale, ce qui pourrait diminuer de façon significative le
rôle protecteur de la magnétosphère.
Sciences de la Terre et de l’Univers, A Brahic, M Hoffert, A Schaaf, M Tardy
Les variations temporelles du champ magnétique
Paléomagnétisme et cinématique des plaques
L’étude du paléomagnétisme des roches (si elles sont restées en place) permet de
reconstituer les positions passées de plaques tectoniques
Exemple : anomalies magnétiques de
l’Atlantique central et reconstitution de la
position des continents (Amérique du
Nord supposée fixe)
d’après Olivet et Caron
Les variations temporelles du champ magnétique
Paléomagnétisme et cinématique des plaques
L’étude du paléomagnétisme des roches (si elles sont restées en place) permet de
reconstituer les positions passées de plaques tectoniques
Alpes
Provence
B
Roussillon
Golfe du Lion
Pyrénées
Mer ligure
Exemple : paléomagnétisme
des rhyolites permiennes (250 MA) de l’Estérel et de
Corse
- 2000 m
MEDITERRANEE
CORSE
bassin Algéro-Provençal)
A
BALEARES
direction de l’axe passant par les
2 paléopôles magnétiques
- 2000 m
SARDAIGNE
100 km
Rhyolites de l’Estérel
(Provence) et de Scandola
(Corse)
C
D’après schéma Ac Dijon
Les variations temporelles du champ magnétique
Paléomagnétisme et cinématique des plaques
L’étude du paléomagnétisme des roches (si elles sont restées en place) permet de
reconstituer les positions passées de plaques tectoniques
Alpes
Provence
B
Roussillon
Golfe du Lion
Pyrénées
Mer ligure
Exemple : paléomagnétisme
des rhyolites permiennes (250 MA) de l’Estérel et de
Corse
- 2000 m
MEDITERRANEE
CORSE
bassin Algéro-Provençal)
A
BALEARES
direction de l’axe passant par les
2 paléopôles magnétiques
- 2000 m
SARDAIGNE
100 km
Rhyolites de l’Estérel
(Provence) et de Scandola
(Corse)
C
D’après schéma Ac Dijon
I – Des premières représentations au modèle actuel
II – Apport de la sismologie
III – Le manteau
IV – Le noyau
V – Le magnétisme terrestre
VI – Planétologie comparée
Planétologie comparée
Le Soleil
- Composition (en masse) = 73 %
d’hydrogène, 25 % d’hélium et une fraction
d’éléments plus lourds.
-Il tire son énergie de réactions de fusion
nucléaire dans son noyau: 4 H  He
Les réserves d’hydrogène devraient encore
lui permettre de briller pendant 5 à 7 Ga
D’après Wikipedia
Planétologie comparée
Le Soleil
C’est une étoile (type naine jaune) de taille moyenne, mais qui représente environ
99,86 % de la masse du Système solaire.
D’après Wikipedia
Planétologie comparée
Le Soleil
-Zone radiative :
-Gaz immobile. Energie transportée par
radiation.
-Zone convective :
-Gaz turbulent animé de mouvements
de convection
-Atmosphère:
-Photosphère (émission de photons)
-Chromosphère
-Couronne solaire : plasma de haute
température (3 millions de degrés) et de
très faible densité  Evasion de protons
et d’électrons qui vient frapper les
planètes du système solaire (vent
solaire)
Planétologie comparée
Le Soleil
Le champ magnétique terrestre nous protège des vents solaires. Les vents solaires sont à
l’origine des aurores polaires (interaction entre les particules chargées du vent solaire et
la haute atmosphère)
Aurore boréale en Alaska (source : wikipedia)
Planétologie comparée
Le Soleil
L’activité solaire se manifeste par des phénomènes violents d’expulsion de matière
(éruptions solaires) et par les tâches solaires (régions sombres de la photosphère qui
sont le siège d’un intense champ magnétique orienté radialement)
Le nombre total de tâches solaires varie entre un minimum et un maximum selon un
cycle de 11 ans en moyenne.
Le Petit Âge glaciaire correspond à un
refroidissement de l'Europe au XVIIème et
XVIIIème siècles. On a observé une
corrélation entre un minimum de l'activité
solaire (minimum de Maunder (16451715)) et ce refroidissement durant cette
même période.
© 1998 Hoyt and Schatten, modifié
Pendant cette période, la baisse du rayonnement solaire total (plus exactement la
luminosité totale) est de 0,2 à 0,3%.
Mais la concomitance de ces évènements n'est pas la preuve d'un lien de cause à
effet....
D’après ENS Lyon
Planétologie comparée
Les objets du système solaire
Planétologie comparée
Les objets du système solaire
• Les planètes telluriques:
Mercure, Vénus, la Terre et Mars.
Surface rocheuse solide (silicates et
de fer essentiellement).
• Les planètes « gazeuses »
(ou « planètes géantes » car grande taille par rapport
aux planètes telluriques) :
Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.
Elles sont essentiellement constituées d’hydrogène
et d’hélium.
Planétologie comparée
Les objets du système solaire
• Les planètes naines
correspondent à une catégorie nouvelle qui regroupe des objets assez divers (satellites
de certaines planètes par exemple)
Pluton, anciennement rangée chez les planètes est maintenant considérée comme une
planète naine.
Pluton
• Les astéroïdes
ont une composition voisine de celle des planètes telluriques mais sont plus petits et
de forme plus irrégulière. Plusieurs milliers ont été recensés. La plupart évoluent au
sein d’une ceinture installée entre les orbites de Mars et de Jupiter, tandis que d’autres
plus lointains, forment la ceinture de Kuiper.
Planétologie comparée
Les objets du système solaire
Astéroïdes
Planétologie comparée
Les objets du système solaire
• Les comètes
sont des amas de glaces (eau et gaz gelés) et de poussières. Situées bien plus loin du
Soleil que les planètes, elles peuvent parfois dévier de leur trajectoire et s’en
rapprocher.
Des glaces se vaporisent alors et les gaz accompagnés de poussières forment leur
queue.
Comète Hale Bopp
© Ciel et Espace
Planétologie comparée
Les températures de surface
Dépend essentiellement de la distance au Soleil.
Courbe traduisant la relation entre température de surface moyenne des planètes et leur
distance au soleil (D = distance Soleil – planète et E = énergie reçue)
Cas particulier de Vénus:
S’explique par un effet de serre
important (atmosphère épaisse
riche en CO2)
Géologie, objets, méthodes et modèles – J Dercourt, J Paquet, P Thomas, C Langlois
Planétologie comparée
Composition chimique et minéralogique
Analyses directes (in situ)
- Lune : Roches magmatiques
Récolte d'échantillons lunaires par John Young,
de la mission Apollo 16
Les analyses chimiques montrent que les
silicates de la Lune ont une composition
chimique voisine de celle du manteau
terrestre, à une différence notable près : par
rapport au manteau terrestre, la Lune est
considérablement appauvrie en éléments ou
composés relativement volatils (à basse
température de vaporisation), en particulier
le potassium. À l'opposé, la Lune est enrichie
en éléments réfractaires (à haute
température de vaporisation), en particulier
l'uranium et le thorium.
NASA, 1972
Planétologie comparée
Composition chimique et minéralogique
Apport de la sismologie
Les études sismiques ont confirmé la très petite taille du noyau lunaire.
Les deux corps ont été représentés avec la même taille pour faciliter les comparaisons. Seules ont été
représentées les limites chimiques et minéralogiques, sans figurer les limites physiques (température,
viscosité…). Ces deux corps possèdent une croûte constituée principalement de silicates légers,
surtout des feldspaths.
La croûte lunaire est plus épaisse (60 à 100 km) que la croûte terrestre (6 à 35 km).
Les croûtes surmontent un manteau riche en minéraux ferro-magnésiens (olivine et pyroxène).
Le noyau de la Lune est relativement beaucoup plus petit (20% du rayon, 0,8% du volume) que celui
de la Terre (54% du rayon, 15% du volume). Par rapport à la Terre, la Lune est très appauvrie en fer.
D’après P Thomas, ENS Lyon
Planétologie comparée
Composition chimique et minéralogique
Autres analyses directes (in situ)
Les sondes qui se sont posées sur Mars et Vénus ont effectué des analyses  surfaces
silicatées également
La sonde Galiléo (Jupiter)  Hydrogène et hélium
essentiellement sur les 100 Km traversés
La sonde Huygens (Titan, satellite
de Saturne)  glaces d’eau, de
méthane et d’hydrocarbures
ESA/NASA/JPL/University of Arizona.
Planétologie comparée
Composition chimique et minéralogique
Etudes spectrales
Principe : Le rayonnement solaire est partiellement absorbé par le sol et l’atmosphère
d’une planète. Une partie du rayonnement est réfléchit. Le spectre de ce rayonnement
réfléchi possède des bandes d’absorptions caractéristiques de telles ou telles substances
gazeuses, liquides ou solides.
Exemple : Spectre de
réflexion de Triton,
satellite de Neptune
Géologie, objets, méthodes et modèles – J Dercourt, J Paquet, P Thomas, C Langlois
Planétologie comparée
Composition chimique et minéralogique
Etudes spectrales
Principe : Le rayonnement solaire est partiellement absorbé par le sol et l’atmosphère
d’une planète. Une partie du rayonnement est réfléchit. Le spectre de ce rayonnement
réfléchi possède des bandes d’absorptions caractéristiques de telles ou telles substances
gazeuses, liquides ou solides.
Exemple : Spectre de
réflexion de Triton,
satellite de Neptune
Montre la présence de CH4 gelé
Géologie, objets, méthodes et modèles – J Dercourt, J Paquet, P Thomas, C Langlois
Planétologie comparée
Composition chimique et minéralogique
Etudes spectrales
Principe : Le rayonnement solaire est partiellement absorbé par le sol et l’atmosphère
d’une planète. Une partie du rayonnement est réfléchit. Le spectre de ce rayonnement
réfléchi possède des bandes d’absorptions caractéristiques de telles ou telles substances
gazeuses, liquides ou solides.
Exemple : Spectre de
réflexion de Triton,
satellite de Neptune
Un peu d’H2O gelée ?
Géologie, objets, méthodes et modèles – J Dercourt, J Paquet, P Thomas, C Langlois
Planétologie comparée
Composition chimique et minéralogique
Etudes spectrales
Principe : Le rayonnement solaire est partiellement absorbé par le sol et l’atmosphère
d’une planète. Une partie du rayonnement est réfléchit. Le spectre de ce rayonnement
réfléchi possède des bandes d’absorptions caractéristiques de telles ou telles substances
gazeuses, liquides ou solides.
Exemple : Spectre de
réflexion de Triton,
satellite de Neptune
Montre la présence de N2
Géologie, objets, méthodes et modèles – J Dercourt, J Paquet, P Thomas, C Langlois
Planétologie comparée
Composition chimique et minéralogique
Etudes spectrales
Ces études ont permis d’établir que:
-Mercure et la majorité des astéroïdes ont une surface silicatée
-Certains astéroïdes renferment de la matière organique
-Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune ont une surface essentiellement composée H2 et
He, avec des nuages de NH3 et CH4
-Pluton et la quasi-totalité des satellites des planètes externes ont une surface constituée
essentiellement de glace d’H2O et (ou) de CH4, avec un peu de silicates et de composés
organiques
Planétologie comparée
Taille, masse volumique
La construction d’un graphique Diamètre / masse volumique souligne la classification 2
catégories de planètes:
Planètes géantes: masse volumique faible mais taille importante
Planetes telluriques : masse volumique plus importante mais taille plus petite
Géantes
Telluriques
Seuls sont indiqués sur ce
graphique les planètes et
satellites de + de 400 Km de
diamètre
Géologie, objets, méthodes et modèles – J Dercourt, J Paquet, P Thomas, C Langlois
Planétologie comparée
Mercure vue par Mariner 10
Zoom sur les planètes telluriques
Mercure
-Surface cratérisée et bassins remplis de
laves sombres (comme la Lune)
-Grands escarpements de faille
(contraction thermique ?)
-Noyau (70 % de la masse de la planète)
-Pas de trace d’activité interne récente
Planétologie comparée
Zoom sur les planètes telluriques
Vénus
- vapeur d’eau et CO2 (le CO2 n’a pas été piégé sous forme de carbonates car pas d’eau
liquide
- cratères d’impact mais âge < 1Ga (donc croûte jeune)
-Croûte épaisse et rigide (basaltique). Pas d’asthénosphère (pas d’état ductile car pas
d’eau liquide). Pas de mouvements horizontaux de plaques
-Volcanisme actif de point chaud
-Peut être une tectonique des plaques épisodique (permet recyclage de la lithosphère
froide par incorporation au manteau)
Surface de Vénus vue par la sonde Magellan
Planétologie comparée
Zoom sur les planètes telluriques
Mars
-Planète rouge car fer oxydé en surface
-Calottes glaciaires (eau et CO2 gelé)
-Cratères
-Olympus Mons, le plus grand volcan du
système solaire (600 Km à la base)
 Activité volcanique importante, (ainsi
qu’une activité convective mantellique), mais
plus aujourd’hui
-Valles Marineris : énorme canyon de 4000 Km
de long et 100 Km de large, prof de 8 Km 
activité tectonique importante dans le passé
-Traces de cours d’eau: l’eau a existé à l’état
liquide dans le passé.
-Actuellement présence de glace d’eau (et
probablement de l’eau liquide dès 5 Km de
profondeur)
Planétologie comparée
Zoom sur les planètes géantes
-Composition: 99 % d’hydrogène et d’hélium (+ méthane, ammoniaque, eau, tous à
l’état solide)
-Atmosphère très agitée
-On suppose que le centre est un noyau solide (silicates et glace ?)
Jupiter
Planétologie comparée
L’eau sur les planètes
Les états de l’eau dépendent de la température et la pression.
La Terre est la seule planète à posséder de l’eau liquide à sa surface.
Cette eau a permis notamment à fixer une partie du CO2 atmosphérique (précipitation
sous forme de carbonates). C’est un solvant qui a permis à la vie de se développer
Venus
Terre
Mars
Mercure
Planétologie comparée
Fenêtre d’habitabilité
La Terre possède de l’eau liquide en surface parce quelle se situe « à la bonne distance »
du Soleil.
On peut ainsi définir une zone d’habitabilité qui conditionnerait la présence d’eau
liquide donc de vie
Planétologie comparée
La vie ailleurs ?
Ganymène, Callisto (satellites de Jupiter) et Titan (de Saturne)
Ces 3 satellites ont la même structure interne:
- noyau de silicates + fer,
- manteau d'H2O plus ou moins riche en méthane, ammoniac et autres molécules
organiques.
Ce manteau d'H2O serait divisé en 3 couches, avec de haut en bas :
- une couche sommitale de glace d'H2O de basse pression (glace "normale", dite glace I)
- un océan d'eau liquide
- une couche de glaces d'H2O de haute pression (glace V et VI) de plusieurs centaines de km
d'épaisseur.
Température externe:
–170 à –200°C
D’après P Thomas, ENS Lyon
Planétologie comparée
La vie ailleurs ?
Ganymène, Callisto (satellites de Jupiter) et Titan (de Saturne)
Donc présence un océan d'eau liquide, sans doute assez riche en molécules organiques,
pris en sandwich entre 2 couches de glaces.
Des trois ingrédients nécessaires à la vie terrestre [carbone, eau liquide et source
d'énergie (lumineuse ou chimique)], deux sont présents (carbone et eau liquide), mais
l'un manque car dans l'océan profond:
-pas de lumière
-pas (ou peu) de réaction eau + silicates ferreux (l'océan liquide n'est pas en contact
direct avec les silicates).
Fumeur noir
 De la vie est loin d'y être exclue, mais cet océan n'est pas a
priori le site le plus favorable au développement de la vie.
Exemple de réactions pouvant être réalisées par des bactéries chimio-lithotrophes
terrestres:
2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O + Énergie
2 FeO (dans un silicate) + H2O → Fe2O3 + H2 puis CO2 + 8 H2 → CH4 + 2 H2O + Énergie
Dans ce cas, l’énergie provient de l’oxydation des sulfures ou du FeO en solution (contient
Fe 2+)
Planétologie comparée
La vie ailleurs ?
Europe (satellites de Jupiter)
- 90% de silicates + fer, / 10% d'eau.
- Noyau de fer
- Manteau silicaté recouvert d'une couche d'H2O théoriquement gelée (vu la
température).
- On n'a pas d'indication certaine sur la présence ou l'absence de NH3, CH4 et
autres hydrocarbures dans cette eau, mais tout laisse à penser qu'il y en a.
Température externe:
–170 °C
D’après P Thomas, ENS Lyon
Planétologie comparée
La vie ailleurs ?
Europe (satellites de Jupiter)
-Les études de géologie de la surface et les modèles thermiques suggèrent que cette couche
d'H2O de 100 km est dégelée sur la majorité de son épaisseur, réchauffée à sa base une
activité volcanique sous marine.
-Europe serait en fait recouvert d'un océan d'H2O liquide surmonté d'une banquise d'une
dizaine de kilomètres d'épaisseur.
Vue d’artiste de la
surface d’Europe
Source: Futura-Sciences
 Par analogie avec ce qu'il se passe sur Terre, on a là une source d'énergie chimiolithotrophe potentielle existant sur Terre :
FeO (contenu dans silicates) + H2O → Fe2O3 + H2
puis, H2 + CO2 → CH4 (et autres molécules organiques) + H2O
Cela pourrait tout à fait permettre à la vie de se développer dans cet océan européen.
D’après P Thomas, ENS Lyon
FIN