Chapitre 1 STRUCTURE ET COMPOSITION CHIMIQUE DE LA

Chapitre 1
STRUCTURE ET COMPOSITION CHIMIQUE DE LA TERRE
I Structure interne de la Terre
A) Les séismes et les ondes sismiques
Rappel sur les séismes.
1.
Sans le livre, définir les mots suivants : Séisme, faille, foyer d’un séisme, épicentre, ondes sismiques,
sismomètre (=sismographe), sismogramme.
2.
Toujours sans le livre, réaliser un schéma du principe d’un séisme. Vous utiliserez les mots faille, foyer d’un
séisme, épicentre, ondes sismiques, pour légender le schéma.
Principe du sismomètre : Document 1 page 8
3.
Rappeler le principe des sismomètres
4.
Les différentes types d’ondes sismiques : Document 2 page 12
5.
Construire un tableau comparatif des ondes P et des ondes S
TP 1 : ETUDE DE SISMOGRAMMES
B) Propagation des ondes sismiques
La propagation des ondes sismiques
On définit un rai sismique comme une ligne perpendiculaire à la surface de propagation d’onde le long de laquelle se
déplace l’énergie
1.
Pourquoi utiliser la notion de rais sismiques ?
2.
Quelle est la différence fondamentale entre les ondes sismiques et les rais sismiques ?
On peut donc représenter le trajet des ondes sismiques par un rai sismique.
La propagation des ondes sismiques peut se rapprocher de celles des ondes lumineuses,
Sans discontinuité, les ondes sismiques se propagent en ligne droite.
on peut donc définir une loi de la réflexion et une loi de la réfraction
Rai sismique incident
Surface de discontinuité
Loi de la réflexion
Loi de la réfraction
C) Apport de l’étude des séismes à la connaissance des enveloppes de la Terre.
1. Mise en évidence de l’hétérogénéité de l’intérieur du globe
On se demande si l’intérieur de la Terre est composé des mêmes matériaux que
l’extérieur. L’observation du trajet des ondes sismiques va permettre de répondre à
cette question.
Les enregistrements d’ondes P faits à proximité d’un séisme permettent de
reconstituer le trajet des ondes P dans le globe. Les rais sismiques ont un trajet
courbe tel qu’indiquer sur le schéma ci-contre.
1) Supposons que la Terre soit homogène, utiliser les lois de la propagation des ondes sismiques pour tracer le
trajet des rais sismiques
Epicentre
Si l’on suppose que la Terre est homogène, le trajet des rais sismiques est-il courbe ?
Si les résultats d’un modèle ne correspondent pas à la réalité, alors le modèle est faux et doit être modifié.
Dans la question précédente, on a modélisé la Terre comme une sphère homogène. Or dans ce modèle, le trajet
des rais sismiques provenant d’un séisme est rectiligne, ce qui ne correspond pas à la réalité. L’hypothèse que la
Terre est une sphère homogène est donc faux. La Terre doit donc être hétérogène (formée de couches différentes)
2) Supposons donc que la Terre soit hétérogène, il y a deux possibilités, soit les matériaux profonds sont plus
denses soit ils sont moins denses. On va tester les deux hypothèses.
Hypothèse : La densité augmente avec la profondeur
Hypothèse : La densité diminue avec la profondeur
Argile
Péridotite
Granite
Granite
Péridotite
Argile
Utiliser les lois de la propagation des ondes sismiques pour tracer le trajet d’un rai sismique dans ces deux
hypothèses. L’angle de départ de ce rai sismique est de 20°. Vous indiquerez les angles à chaque discontinuité
3
Densité en g/cm
Vitesse des ondes P (en km/s)
Argile
2,2 – 2,6
3
Granite et gneiss
2,50 – 2,81
5,6
Péridotite
2,78 – 3,37
8,1
En utilisant les résultats ci-dessous, tracer l’allure du trajet des rais sismiques sur les schémas ci-dessous
Hypothèse : La densité augmente avec la profondeur
Epicentre
Hypothèse : La densité diminue avec la profondeur
Epicentre
Indiquer maintenant quel est le modèle valide.
Autre méthode de démonstration.
Document 7a page 13.
1) La vitesse des ondes P et des ondes S est-elle constante lors de leur trajet ? Si non, indiquer comment évolue
leur vitesse.
2) Que peut-on en conclure sur les couches profondes de la Terre.
2. Mise en évidence de la discontinuité de Mohorovic
En 1909, à l’occasion d’un séisme, Andrija Mohorovičić, géologue croate enregistre sur ses sismographes des
ondes P puis des ondes S et ensuite de nouveau des ondes P. Or ces trains successifs ont été produits par le
même séisme et sont donc partis d’un même lieu.
On explique l’apparition du deuxième train d’onde P par une réflexion des ondes sur une surface de discontinuité
profonde (voir schéma 5 page 15).
On explique l’apparition du deuxième train d’onde P par une réflexion des ondes sur une surface de discontinuité
profonde (voir schéma 5 page 15).
On connaît :
l’heure d’arrivée des ondes P à 3 h 12 min 16,493 s
l’heure d’arrivée des ondes PMP à 3 h 12 min 19,583 s
-1
la vitesse des ondes P dans cette région 6,25 km.s .
La distance à l’épicentre 63,3 km
1. En considérant que la distance h peut être négligé, calculer la profondeur de la surface de discontinuité.
Il faut utiliser le fait que les ondes P et les ondes PMP se propagent à la même vitesse, vitesse qui est connu
Une fois les deux équations de la vitesse posée, utiliser le fait que l’intervalle entre le temps d’arrivée des
ondes P et celui des ondes PmP est connu.
Il faut utiliser le théorème de Thalès pour se débarrasser des distances inconnues
Maintenant il faut essayer de tirer H de ces équations
2. A partir du document 6 page 15, décrire les caractéristiques de la répartition de la profondeur du Moho (=
discontinuité de Mohorovičić) à la surface du globe.
3. La zone d’ombre : mise en évidence de la discontinuité de Gutenberg
Mise en évidence de la zone d’ombre : carte de la
répartition des stations sismiques ayant enregistré les
ondes P du séisme du 28 février 2001
`0
1. Document 1 page 14 Qu’appelle-t-on la zone
d’ombre sismique ?
2. Placer la zone d’ombre sismique des ondes P sur
ce schéma.
TP 2 : MODÉLISATION DE LA ZONE D’OMBRE DES ONDES P
Mesure de la distance épicentrale et zone d’ombre.
En 1936, Lehmann (1888-1993) montre que La
" zone d’ombre " entre 105 et 142° n’est pas
entièrement vide mais on y
observe l’arrivée d’ondes P très
retardées. 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.
Elle découvre donc que le
noyau liquide de la Terre
contient une partie centrale
distincte solide : la graine.
La distance à l’épicentre se mesure :
Schéma bilan : trajet des ondes sismiques P dans la Terre
4. Variation de la vitesse des ondes en fonction de la profondeur
La vitesse des ondes sismiques dépend de nombreux paramètres :
De manière simple,
un changement dans la nature des roches provoque une variation brusque de la vitesse
l’état physique a aussi une influence : les ondes se propagent moins bien, voir pas du tout dans les liquides.
la vitesse varie avec la ductilité : quand la ductilité* du matériau traversé augmente, les ondes S et P sont ralenties.
Ductilité : Une roche soumise à des contraintes peut suivant les conditions de pression et de température se révéler
fragile ou ductile. Une roche ayant un comportement fragile casse après une déformation suffisante : elle est
cassante. Une roche ayant un comportement ductile présente une déformation plastique irréversible mais ne casse
pas.
B : Vitesse de propagation des ondes P et S
dans les 300 premiers km de profondeur
(domaine océanique)
C : Géotherme et courbe de fusion des
péridotite dans les 500 premiers km de
profondeur (domaine océanique)
A:
1. Compléter le graphique ci-dessous à l’aide de la page 16 du livre
2. Comment interpréter les variations brutales de vitesse des ondes P et S avec la profondeur.
3. Montrer que ce graphique permet de retrouver les trois discontinuités mises en évidence précédemment
4. La discontinuité de Lehmann (5100 km) sépare deux milieux aux propriétés différentes, le noyau externe et le
noyau interne. Justifier la séparation proposée par les géophysiciens. Donner l’état physique du noyau interne.
5. Montrer que l’existence d’une zone à faible vitesse des ondes sismiques dans le manteau (graphique b) est un
argument pour distinguer lithosphère et asthénosphère (définis dans le lexique)
6. Sachant que le géotherme représente la température des roches de la Terre en fonction de la profondeur et que
les péridites sont des roches du manteau utiliser le graphique C pour expliquer l’origine de la ductilité du sommet de
la lithosphère.
D) Bilan : un modèle de l’intérieur de la Terre
Schéma bilan : modèle physique de l’intérieur du globe
II Composition chimique de la Terre
1. Définir roches, cristaux, verre, microlite, phénocristaux, structure microlitique et structure grenue
2. La silice est un minéral de formule Si02. Sous
forme de cristaux, on l’appelle quartz, sinon
c’est du verre (celui utilisé dans la vie
courante). Déterminer quel schéma représente
les atomes dans un cristal de quartz et lequel
les représente dans un verre.
A) Composition de la croûte et du manteau, enveloppes accessibles
1. Etude des roches de la croûte et du manteau
TP 3 ET TP 4: ÉTUDES PETROLOGIQUES ET MINÉRALOGIQUES DE LA CROUTE ET DU MANTEAU
Fiche méthode : étudier une roche
Fiche méthode : utiliser un microscope polarisant
2. Composition chimique de la croûte et du manteau
Tableau de la composition chimique de la croûte océanique et continentale et des roches représentatives
des enveloppes accessibles de la Terre
Basalte
Gabbro
Croûte océanique
Granite
Gneiss
Croûte continentale
Péridotite
O
43
44,6
43,7
49,4
48,7
46,9
43,5
Si
23
23,7
22
32,4
32
32,2
21,1
Fe
11,5
6,5
6,5
2
3,3
2,9
6,5
Al
7,6
8,8
8,5
7,4
8,5
7,7
1,9
Ca
6,9
8
7,1
1
1,3
1,9
2,2
Mg
3,1
5,5
7,6
0,6
0,7
0,7
22,5
1. Quels sont les éléments majeurs constituant les couches accessibles de la Terre ?
2. Quels sont les quatre éléments majoritaires du basalte et du gabbro ?
3. Quels sont les quatre éléments majoritaires du granite ?
4. Quels sont les quatre éléments majoritaires de la péridotite ?
5. Classer les roches selon leur richesse en silicium.
Na
2,1
2,2
1,6
2,6
2,8
2,9
0,5
K
0,6
0,2
0,33
4,6
2,5
3,2
0,02
B) Composition du noyau
1. Étude de la densité du noyau
La masse volumique de la Terre a pu être déterminée grâce aux lois de la gravitation universelle (deux corps sont
soumis à une force d’attraction F proportionnelle au produit de la masse de chacun des corps et inversement
24
proportionnelle au carré de la distance qui les sépare). Cette masse MT est voisine de 5,972. 10 kg
1. Quelle est la formule de la masse volumique ?
2. Calculer la masse volumique moyenne de la Terre. On rappelle que le volume d’une sphère est donné par la
3
formule 4/3πR et que le rayon de la Terre est de 6400km.
3
3. Sachant que la masse volumique moyenne des roches de la croûte est de l’ordre de 2700 à 2900 kg/m et que
3,
celle du manteau varie entre 3200 et 5000 kg/m quelle conclusion peut-on en tirer par comparaison avec le résultat
précédent.
4. 4. On cherche à calculer la densité du noyau.
Calculer le rayon du noyau
Calculer le volume du noyau
Sachant que le volume de la croûte correspond à 1% du volume de la Terre, calculer le volume de la croûte.
Calculer maintenant le volume du manteau.
Exprimer la masse de la Terre en fonction de la masse de la croûte, du manteau et du noyau
Exprimer maintenant la masse de la Terre en fonction des densités et des volumes des différentes enveloppes.
Calculer maintenant la densité du noyau
3
3
Vous prendrez comme valeur moyenne de densité pour la croûte 2800 kg/m et pour le manteau 4100 kg/m
2. Étude de la vitesse des ondes sismiques P dans le noyau
Au début des années 1950, le géophysicien américain Francis Birch a découvert une relation empirique linéaire
entre la vitesse des ondes sismiques et la masse volumique (ρ) du milieu traversé
1. Repérer l’intervalle de la vitesse des ondes
P dans le noyau
2. Repérer la masse volumique du noyau
3. Déterminer
maintenant
l’élément
composant le noyau
Loi de Birch reliant la vitesse des ondes P d'un
milieu et sa masse volumique
3. Etude des météorites
Voir question 3 du III
III Explication de la structure de la Terre
1. A partir du texte du document 2 page 24 et du document 3 page 24, représenter sous forme d’une succession de
schéma les étapes de la formation de la Terre.
3. Compléter le tableau distribué à l’aide des documents 5 et 6 page 25.
3. Sachant que les météorites se sont formées à la même période que la Terre et à partir des mêmes matériaux,
qu’apporte l’étude des météorites à la connaissance des enveloppes de la Terre.
Indifféren
ciée
Type de météorites
CHONDRITES
Différenciée
ACHONDRITES
SIDÉRITES
Composition moyenne
Enveloppe de la Terre de
composition semblable
Origine des
météorites