Structure et composition de la Terre

Structure et composition de la Terre
Pré-requis (cyclecentral) : Les séismes résultent d’une rupture brutale des roches en profondeur et se
manifestent par des déformations à la surface de la Terre : le foyer du séisme est le lieu où se produit la rupture à
partir duquel la déformation se propage sous forme d’ondes. Les mouvements de surface liés à la transmission
des ondes peuvent être enregistrés par des sismographes et être analysés. Le volcanisme est l’arrivée en surface
de matière minérale en fusion : le magma. Un magma est un liquide issu de la fusion localisée d’un volume
restreint de roche, à plusieurs kilomètres de profondeur.
Objectifs du chapitre : Voir le document
Introduction
Activités et supports
TP : Comparer la densité de la Terre
calculée{voir fichier secondaire spécifique}
à celle des roches mesurées{ Manuel SVT
1ère S, éditions BELIN, 2001, page 26}
Situation déclenchante 1 (2h)
Constat : La densité des roches mesurée présente une moyenne inférieure à 3 ;
celle de la Terre calculée et des 5,3. On ne peut pas considérer la Terre comme
une sphère homogène constituée unique ment des roches de surface : il faut
penser un modèle de la Terre présentant plusieurs couches de matériaux de
densités supérieurs à celles composant la surface terrestre.
Problème : Comment accéder à la structure et à la composition de la Terre ?
Stratégie 1 : Recueillir des matériaux directement par forage
A quelle
profondeur ?
Stratégie 2 : Observer des matériaux remontés à la surface par volcanisme
De
quelle profondeur sont-ils issus ?
Stratégie 3 : Sonder la structure de la Terre par échographie
Quel élément
déclanchant, quel appareillage ?
Stratégie 4 : Trouver des modèles ou arguments extraterrestres d’après l’origine
du système solaire quelle validité des théories et modèles existants ?
Voir le Calcul de la densité moyenne de la Terre
1. Les méthodes d’exploration directe
1-1- Les forages profonds (0,5h)
Activité et support
Notions
Depuis la fin des années 60, on cherche, par des forages profonds, à
mieux connaître et comprendre la nature et la composition de la Terre :
1967-68: un projet américain (MOHOLE) de forage de la croûte océanique
près d’Hawaii, à partir d'une plate-forme, sous 4500 mètres d'eau.
Chimie des basaltes.
Depuis 1979 et toujours actif, le projet ODP (Ocean Drilling Project) : à
l'échelle internationale ; plusieurs forages à +/- 2000 m dans la croûte
océanique Chimie des basaltes
Les Russes furent les premiers à forer à partir du continent, en 1977, pour
tenter de traverser la croûte continentale. Le forage a été implanté dans la
péninsule de Kola (cercle arctique russe), en bordure d'une masse
continentale. En 1989 : on atteint 12 km Acquisition inestimable de
connaissances sur la croûte continentale. A toutes fines pratiques, un
forage arrêté aujourd'hui, faute de moyens financiers du granite.
Les forages profonds donnent des renseignements sur les caractéristiques
physiques de la croûte mais n’apportent pas d’indication sur la structure à
couches concentrique de la Terre.
1-2- Les remontées par le magmatisme
(6h)
Classe de terrain : Recherche des remontées
magmatiques sur site volcanique dans la
basse vallée de l’Hérault.
TP : Etude minéralogique comparée d’un
granite, d’un basalte e d’une péridotite
La croûte est riche en silicates alumineux (Si, Al, Na, Ca, K)
Une couche plus profonde, riche en silicates ferromagnésiens (Si, Mg, Fe)
La Terre paraît donc être une sphère à au moins deux couches.
Questions : Quelle est cette couche profonde ? A quelle profondeur
commence-t-elle ?
2. Les apports des méthodes d’exploration indirectes
2-1- L’échographie sismique (3h)
Quelques rappels concernant les séismes :
Séisme : tremblement de terre, mouvement brutal et transitoire du sol. Fracturation
de roches poussées aux limites de leurs capacités élastiques par les contraintes qui
leur ont été appliquées. Un séisme se traduit par la propagation de nombreuses
ondes.
Foyer: lieu où se produit le séisme, où se fracturent (en profondeur) les roches.
Epicentre : lieu en surface associé à la verticale du foyer.
Intensité : mesure des dégâts causés par le séisme.
Echelle MKS (Mercalli) : mesure l'intensité des séismes, graduée de I à XII.
Magnitude : mesure l'énergie libérée par un séisme.
Echelle de Richter: mesure la magnitude des séismes, graduée de 1 à 10.
Les différents types d’onde sismiques.
Les lois de Descartes de la réflexion et de la réfraction.
Etude de documents{Manuel SVT
1ère S, éditions BORDAS, 2001, page
243 document 3 ; page 244 document
2}
Constat : Les séismes produisent des ondes nombreuses dont on peut calculer un
certain nombre de paramètres.
Problème : Comment les séismes peuvent-ils nous informer sur la structure de la
Terre ?
Hypothèse : Les ondes produites par un séisme, rencontrant le changement de milieu
mis en évidence par la présence de péridotites, créent des ondes réfléchies lesquelles
arriveront plus tard que les ondes directes et des ondes réfractées qui présentent des
vitesses différentes puisqu’elles traversent un milieu différent.
Conséquence vérifiable : Il existe sur un sismogramme des ondes P directe, P
Visite de la station “Sismo des
écoles ” du lycée et présentation d’un réfléchies et P réfractées, de même pour les ondes S
Stratégie : Il faut étudier un sismogramme.
sismographe.
TP : Etude des ondes sismiques
Détermination de l’épicentre d’un
séisme par la méthode des
bissectrices{Utilisation de Sismolog}
, calcul de la profondeur du
Moho{Manuel SVT 1ère S, éditions
DIDIER, 2001, page 21} et
modélisation de la structure interne
du globe{Utilisation de Sismolog).
L’étude des sismogrammes permet de mettre en évidence l’existence d’une structure en
discontinuité à une profondeur d'environ 30 km, c'est le Moho, abréviation de
discontinuité de Mohorovičić. On retrouve cette discontinuité à environs5km en
domaine océanique, 30km en domaine continental et jusqu’à 70km sous les chaînes de
montagnes. Par ailleurs, les variations de vitesses des ondes P et S prouvent l'existence
de milieux différents :
La croûte : de la surface au Moho
La lithosphère : de la surface à 100km (croûte + partie supérieure du manteau
supérieur).
L’asthénosphère : entre 100 et 700km, partie inférieure du manteau supérieur.
Le manteau : se décompose en manteau supérieur (du Moho à 700km) et manteau
inférieur (700 à noyau)
Le noyau est aussi en deux parties : noyau externe (2900à 5100km) et graine (à
partir de 5100km)
La Terre est donc une sphère hétérogène composée de plusieurs couches concentriques.
La chimie de la croûte (SI, O, Al, Ca, Na, K) n’est pas la même que celle du manteau
(Si, O, Fe, Mg).
La densité du manteau augmente graduellement de la croûte (3,3) au noyau (5,5).
2-2- Les apports de l’étude des météorites (1h)
Constat : La chimie du noyau doit être composée de matériaux suffisamment denses pour compenser la densité
totale de la Terre. Il faut pour cela accéder à la composition chimique interne profonde de la Terre.
Problème : Comment l’étude des météorites peut-elle nous renseigner sur la composition chimique de la
Terre ?
Etude de documents{Manuel SVT 1ère S,
éditions BORDAS, 2001, page 251document
4 ; manuel SVT 1ère S, éditions DIDIER,
2001 : page 39 document 5}
Histoire de la matière : nuage interstellaire qui s’effondre.
Histoire de la Terre : accrétion, différenciation.
Chimie du noyau : Fe, Ni, Si.
Ce noyau développe des densité comprises entre 10 et 13.
Conclusion
Schéma bilan : structure et composition de la Terre{Manuel SVT 1ère S, éditions HATIER, 2001, page 293}