La Terre

1. La Géosphère
Caractéristiques physiques et structure
1.1. Masse, Volume et Densité
Calcul de la masse et de la densité de la géosphère
1.2. Forme et taille de la Géosphère
Ellipsoïde de révolution, Géoïde
1.3. Structure de la géosphère
1.3.1.Apports de la sismologie
1.3.2.Séismes et ondes sismiques
1.3.3.Discontinuités majeures et mineures
1.3.4.Les différentes parties de la géosphère :
Noyau, manteau, croûtes continentale et océanique
Quelles informations sur la structure de la terre à partir des
études sur l’attraction universelle et le champ de gravité?
Cavendish calcule la masse, le volume et trouve une densité = 5,52
Or pour les roches de surface la densité moyenne est entre 1,8 et 2,7
(problème)
‡Ellipsoïde
de Clairaut : la terre se comporte comme
masse fluide en rotation uniforme soumise à sa propre
attraction ce qui lui confère une forme d’ellipsoïde aplati.
‡Donc
la répartiton des masses est hétérogène sinon ce
serait une sphère
D’après le renflement équatorial, le moment d’inertie de la T en rotation, et les
valeurs de densité connues, il existe en profondeur une zone de
d = 10 qui fait la moité du diamètre terrestre,
occupe 16% du volume planétaire et 33% de la masse …..
‡
MAIS QU’EN EST IL EXACTEMENT DE
LA STRUCTURE INTERNE DU GLOBE
??????
Jules vernes a-t-il la réponse ?
lire Voyage au centre de la terre
‡
1.3.Structure interne de la géosphère
1.3.1. Les apports de la Sismologie
Définition: Le séÏsme ou tremblement de Terre, est un
mouvement BREF du sol, dû à l’arrivée d’ondes élastiques
transmises dans le globe à partir d’un point d’émission
appelé
FOYER, SOURCE ou HYPOCENTRE.
L’EPICENTRE est le point de la surface à la verticale du
foyer
Qu’est ce que une « onde élastique »?
Exemple? Définition? Propagation?
Les causes des séïsmes
Résultat du séïsme :
1. Libération d’énergie sous forme d’une onde
élastique = tremblement de terre
2. Mouvement des terrains
Les TT les plus nombreux sont
dus au fonctionnement des failles
Failles et Séismes
Résultat d’un séisme de magnitude 7 sur l’échelle de Richter
en Sicile
La fameuse faille de San Andreas responsable
des séismes de Californie, ici à San Bernardino.
TT associé au jeu d’une faille
Exemple régional le TT de Lambesc du 9 juin 1909.
‡
Le séisme de Rognes-Lambesc de 1909 est le
plus important survenu en France depuis
1900.
Les causes du séisme
C’est le rapprochement de la plaque Afrique et de la plaque
eurasiatique qui est la cause essentielle de ce séisme. Plus
précisément, le séisme de Provence est lié à l’activité sismique des
Alpes : c’est la déformation de la marge européenne de la plaque
eurasiatique provoquée par la poussée de l’Italie, elle-même
comprimée par la plaque Afrique.
Relief de la Trevaresse
Faille inverse
Comment mesurer
l’intensité d’un TT?
-En faisant une enquête auprès des population on
dresse une carte d’isoséistes (courbes regroupant
les points de destructions équivalentes)
Echelle la plus connue est l’échelle de Mercalli
-En faisant des calculs sur l’énergie libérée par le
séisme qui permettent de déterminer la MAGNITUDE
du séïsme : échelle de Richter
La mesure de l’intensité d’un séIsme
La magnitude du TT de Lambesc = 6,2
NB : la magnitude est un log donc?
Les ondes sismiques et leur
enregistrement
Sismographes
Principe du sismographe horizontal
Stations sismiques sur toute la
surface du
globe équipées de 3
sismographes:
1 pour les mouvements verticaux,
2 pour les mouvements
horizontaux (EW et NS)
Principe du sismographe
vertical
Sismogrammes
L’enregistrement sismique et la localisation du TT
Ondes sismiques
Ondes P
Ondes de Love
Ondes S
Ondes de Rayleigh
Ondes de volume
Ondes de surface
Les ondes S ne sont pas transmises par les liquides
Les Ondes de volume à travers le
globe
Trajets, réfractions des ondes P et S
et zone d’ombre des ondes P.
Reconstitution réalisée grâce à la synthèse
des résultats des sismogrammes
d’enregistrements de multiples TdeT tout
autour du globe
1. La Géosphère
1.3. Structure de la géosphère
1.3.1.Séismes et ondes sismiques
1.3.2.Apports de la sismologie
1.3.3.Discontinuités majeures et mineures
1.3.4.Les caractéristiques des différentes parties de la
géosphère :
Noyau, manteau, croûtes continentale et océanique
1.3.3.Discontinuités de vitesse des
ondes sismiques : discontinuités
majeures et mineures
Discontinuités
mineures :
-”Moho” entre 0 et
70 kms base de la
croûte
-Low velocity Zone
base du manteau
lithosphérique
-100/-150 km
LVZ
0 km
Asthénosphère
Lithosphère
-zone de transition :
asténosphère
base de
l’asthénosphère
- 250/-300 km
Manteau
supérieur
700 km
LVZ
0 km
700 km
1.3.3.Discontinuités de vitesse des
ondes sismiques : discontinuités
majeures et mineures
Discontinuités majeures
(épaisseurs non respectées)
Gutenberg: -2900 km
Lehman: -5100 km
NOYAU
INTERNE
NOYAU EXTERNE
MANTEAU
Inférieur
Supérieur
Données des études sismiques sur la structure interne du globe
L'intérieur de la Terre est constitué d'une succession de couches de
propriétés physiques différentes:
-au centre, le noyau, qui forme 17% du volume terrestre et qui se divise en
noyau interne solide et noyau externe liquide
-le manteau, 81% du volume, se divise en manteau inférieur solide et
manteau supérieur principalement plastique,
la partie tout à fait supérieure du manteau est solide (partie inférieure de la
lithosphère)
- la croûte (ou écorce), qui compte pour moins de 2% en volume et qui est
solide.
1.3.4. les caractéristiques
des différentes parties de la géosphère
1.3.4.1. Le Noyau:
Noyau interne:
Etat solide
Densité entre 12.3 et 13.3
Pression entre 3200 et 4000 kbar
Composition chimique: 80% Fe, 20% Ni, O et C
en faible quantité, quelques éléments légers
à l’état de traces.
NOYAU
INTERNE
NOYAU EXTERNE
Noyau externe:
Etat «liquide»
Densité entre 10 et 11.8
Pression entre 1350 et 3200 kbar
Composition chimique: 86% Fe, 12% S, 2% Ni.
Comment a- t’on trouvé ça??
Sont vachement forts!
1.3.4.2. Le Manteau
-40-70 km
MOHO
Manteau lithosphérique
-8 km
Asténosphère
-250 -300 km
Manteau Supérieur
-100-150 km
-700 km
Manteau inférieur
-2900 km
Noyau externe
Densité 3.3
Pyrolite: SiO2:
MgO:
FeO:
Al2O3:
CaO:
45.2%
37.5%
8%
3%
3%
Densité 3.3 à 3.4
Température: 900 à 1000°C
Même composition chimique que le
manteau lithosphérique mais
augmentation densité de la matière:
Forstérite (MgSiO4) -> Spinelle (MgSiO4)
Orthorhombique -> Cubique compact.
Densité 4.4 à 5.5
Pression 240 à 1360 kbar
Température inconnue
Minéralogie inconnue
GUTENBERG
1.3.4.3. La croûte terrestre
a. La croûte océanique
Origine de la C.O .?
55%surface de la géosphère
Épaisseur moyenne 8 à 15 km
Densité moyenne 3,2
Le cycle pétrologique interne et externe (La planèteTerre,
Caron et al, 2003 p. 217 - les échelles ne sont pas
respectées).
UTILISER IMPERATIVEMENT LE POLYCOPIER
1
1
Pillow-lavas
Laves en coussin
Complexe filonien
(Chypre, Le Chenaillet)
2
1
2
2
3
2
Gabbros
3
Coupe schématique de la croûte océanique
Sédiments: boues argileuses, siliceuses,
radiolarites, quelques calcaires
1
Pillow-lavas (laves en coussins) :
coulées sous-marines, basaltes
2
Complexe filonien: alimentation des coulées,
dolérites
3
Gabbros massifs très homogènes
Gabbros lités et rubanés
MOHO
Manteau lithosphérique: péridotites
Composition chimique moyenne de la croûte océanique
Croûte Océanique
Les 5 oxydes dominants:
SiO2:
Al2O3:
MgO:
FeO:
CaO:
41,7%
14,2%
12,7%
11,0%
9,9%
-----------------------------
1.3.4.3. La croûte terrestre
b. la croûte continentale
45% de la surface de la géosphère
Épaisseur de 30 à 70 km (40 en moyenne)
Densité moyenne 2,7 (jusqu’à 3 en profondeur)
Roches de la croûte
continentale
(Granite, grès, schiste, gneiss)
Coupe schématique de la croûte continentale
Roches métamorphiques
Plutons et batholites
granitiques
Roches magmatiques acides
Intrusions basiques
Roches Ultra-métamorphiques
Roches sédimentaires
1
Croûte Continentale
superficielle
2
Croûte Continentale
supérieure
Discontinuité de Conrad?
3
Croûte Continentale
inférieure
MOHO
Manteau Lithosphérique
UTILISER IMPERATIVEMENT LE POLYCOPIER de TD/TP
Composition chimique moyenne de la croûte continentale
Croûte Océanique
Les 5 oxydes dominants:
SiO2:
Al2O3:
MgO:
FeO:
CaO:
Croûte Continentale
Les 5 oxydes
dominants:
41,7%
14,2%
12,7%
11,0%
9,9%
SiO2: 61,9%
Al2O3: 15,6%
CaO: 5,7%
FeO: 3,9%
K2O: 2,9%
-----------------------------
« Sima »
lourd
« Sial »
léger
Origine de la croûte continentale?
Constatations :
Différence de composition chimique
Age C.O. inf à 200 Ma
Age C.C. ?
laquelle?
2 hypothèses :
‡
Fusion du manteau hydraté et différenciation
magmatique (c’est-à-dire il y a début de
cristallisation dans la chambre magmatique des
minéraux les plus lourds et ensuite montée d’un
magma relativement plus riche en silice et
éléments légers
‡
Hypothèse liée à celle de l’origine de la structure
en couches concentriques de la T
1.4. L’origine de la structure de
la T. en couches concentriques
???
???
Hypothèses sur l’Origine de la
structure en couches
de la géosphère
Accrétion homogène
puis structuration
‡
Accrétion hétérogène
„
‡
Accrétion homogène
„
Accrétion hétérogène
Condensation des éléments les plus
lourds d'abord, puis des éléments
plus légers (silicates) donnant un
noyau et un manteau primaire dès le
stade protoplanète.
„
„
„
„
Accrétion initiale ± homogène
Augmentation progressive de la
température
Fe et Ni, fondus et sous forme de
grosses gouttes, migrent vers le
centre de la planète
Migration à l'état plus ou moins solide
des silicates vers l'extérieur, donnant
le manteau primaire
Structuration du manteau et formation
de la croûte
Pourquoi l’épaisseur de la CC varie?
Pourquoi est elle toujours plus épaisse que la CO?
Pourquoi la correction de Bouguer au voisinage des montagnes
est elle trop forte alors que la valeur de la pesanteur est influencée
par la présence d’une montagne???
En 1850 Airy et Pratt constatent que tout se passe comme si
à une certaine profondeur dans le globe terrestre les masses
s’équilibrent, comme si le principe d’Archimède fonctionnait
à une certaine échelle
‡
Le terme « isostasie » (du grec isos, égal, et stasis, arrêt) traduit
l'état d'équilibre des roches de la croûte terrestre par rapport
au manteau sous-jacent. Ce phénomène implique que, au-dessus
d'une certaine profondeur, appelée niveau de compensation,
la masse des roches crustales superficielles est partout la même
quelle que soit l'altitude des reliefs. En dessous du niveau de
compensation, il n'y a pas de variations significatives de densité.
‡
Exemples :
- un point chaud crée un volcan donc une surcharge de la
lithosphère qui s’enfonce : il y a subsidence. Ensuite, l’érosion
rabote progressivement le volcan, la lithosphère remonte, c’est
l’isostasie.
- La disparition d’un plateau glaciaire : soulèvement général de
l’Islande. La glace avait d’abord enfoncé l’île qui est ensuite
remontée.
- Des nappes de charriage ou l’accumulation de dépôts
sédimentaires peuvent provoquer une subsidence
- Il peut y avoir apport de matière par en dessous : c’est
l’orogenèse.
‡
‡
‡
‡
‡
Déséquilibres isostatiques et réajustements isostatiques
dus à la formation puis à l’érosion d’une chaîne de
montagne
Le phénomène se passe à l’échelle de la lithosphère
a
situation normale
b
chaîne de montagne
C érosio
d
L’orogenèse :
Un équilibre se crée à l’échelle de la
lithosphère par l’apparition d’une racine
puis
L’érosion enlève du poids donc on se trouve en
déséquilibre isostatique suivi d’un
réajustement progressif
Création d’une gorge par réajustement isostatiq
Equilibre - déséquilibre et réajustement isostatiques
Exemple de la Scandinavie
(perceptible à l’échelle humaine)
Siège d’une anomalie négative de -25
à -50 mGal centrée sur le Golfe de
Botnie
Déchargée du poids des glaciers la
Scandinavie s’est relevée 9 mm par
an au cours du siècle dernier
Elle subit un réajustement
isostatique
L’isostasie est le principe d’Archimède
appliqué à des solides plastiques
nécessitant des temps très long pour
réagir et se stabiliser.
‡ C’est cette répartition anormale des
masses tendant à se rééquilibrer qui est à
l’origine d’anomalies gravimétriques
locales généralement dues à des
remontées du manteau.
‡
La carte du
géoide : écarts
positifs en
teintes orangérouge et écarts
négatifs en
teintes vert-brun
par rapport à un
ellipsoide
d’aplatissement
1/298,257.
Ces anomalies sont en général des instabilités de masses et sont
l’objet de réajustements
Exemple : il y a anomalie dans les Alpes et non dans l’Himalaya.
l'Isostasie : application à une chaîne de montagne
Colonne de référence 1:
1 = 40 kmx 2,7 + 60 kmx 3,4
Calcul d’Isostasie
Colonne avec relief et racine 2:
2 = h x 2,7 + 40 km x 2,7 + X x 2,7 +Y x 3,4
h
D=2,7
Puisque compensation 1 = 2;
par ailleurs X+Y = 60 km, et donc Y= 60 - X
40 km
x
y
100 km
Niveau de compensation
D=3,4
X x 2,7 + (60 - X) x 3,4 = 40 x 2,7 + 60 x 3,4 5 x 2,7
- 40 x 2,7
X x 2,7 + 60 x 3,4 - X x 3,4 = 60 x 3,4 - h x 2,7
X= -(h x 2,7) / (2,7 - 3,4)
soit par exemple 22,5 km de racine pour un
relief de 5 km
(nous verrons en étudiant la structure de la Terre que ces densités correspondent
respectivement à la densité moyenne de la croute terrestre et à la densité moyenne du
manteau supérieur)