FLST101 Planète Terre FLST101 Planète Terre Cours (24h): La Terre dans l'Univers et le Système Solaire (5 h) Structure de la Terre (5 h) Les étoiles, l’agencement et la formation de l’Univers, les caractéristiques et la formation du Système Solaire. (Cours 4 semaines, en parallèle du cours de Géologie, A6.02, jeudi, 16h45-18h15) la géosphère, l'hydrosphère, l'atmosphère, la biosphère Dynamique de la géosphère (14 h) Géodynamique interne Machine thermique,Tectonique globale Géodynamique externe Cycle géodynamique externe, Notions d'Environnements Sédimentaires FLST101 Planète Terre TD-TP: 9 séances (27h, TD 9h, TP 18h) Présentation et méthodes de détermination macroscopique 5. 6. 7. 8. 9. 1. Minéralogie-Cristallographie, principaux minéraux 2. Principaux types et exemples de roches magmatiques 3. Principaux types et exemples de roches sédimentaires 4. Principaux types et exemples de roches métamorphiques Tectonique des Plaques Introduction à la cartographie Les Temps géologiques Terrain Soutenances des rapports scientifiques FLST101 Planète Terre Notation: Examen écrit sur le cours: 50% de la note Contrôle continu en TD-TP, comprenant le rapport scientifique: 50% Responsables de l’UE: Responsable général: Enseignants de cours: Suzanne Raynaud [email protected] Ana Palacios [email protected] Henri de la Boisse [email protected] Suzanne Raynaud, [email protected] Jean-Patrick Respaut, [email protected] Goetz Bokelmann, [email protected] Responsable des TD-TP: Suzanne Raynaud, [email protected] Quelques lectures ... Patience dans l'Azur De la Pierre à l'Etoile L'Ecume de la Terre Montagnes sous la Mer Monts et Merveilles Ce que disent les pierres Géologie, Objets et Méthodes Sciences de la Terre et de l'Univers La Géologie du Languedoc-Roussillon La Géologie de l'Hérault H. Reeves C.J. Allègre C.J. Allègre A.Nicolas M. Mattauer M. Mattauer J.Dercourt et J.Paquet Brahic-Hoffert-Scaaf-Tardy J.C. Bousquet Ed. Seuil Ed. Fayard Ed. Fayard Ed. BRGM Ed. Hermann Ed. Pour la Science Ed. Fayard Ed. Vuibert Ed. BRGM Ed. Ecologistes de L'Euzière Retrouvez les diaporamas et les résumés de cours sur le web: Espace pédagogique, cours ST101 La Terre A. B. Structure Dynamique RECOMMANDATION : LES SCHEMAS MARQUES D’UNE CROIX ROUGE SONT A SAVOIR PAR COEUR Partie A : STRUCTURE DE LA TERRE Introduction : les différentes enveloppes de la Terre Introduction : Les différentes enveloppes de la terre Hydrosphère Biosphère Géosphère Surface de la Géosphère: 500.106 km2, 71% océans, 29% continents. Atmosphère 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, isostasie 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 1.1. Masse, Volume et Densité Quelle balance pour peser la Terre alors que l’on a les pieds dessus???? La 2eme loi de Newton formulée en 1687 dite loi de la gravitation universelle a servi à expliquer le mouvement des astres ainsi qu’à interpréter le champ de gravitation des planètes et à ….peser la Terre FN = G. (M.M’) / d2 ., Isaac Newton suggéra 1 méthode pour déterminer G au laboratoire Expérience de Cavendish (1798) En 1797 – 1798, Henry Cavendish réalise la première mesure de G grâce à une balance de torsion. FN = G. (M.M’) / d2 Fil de torsion Masse (2kg) Couple de torsion Masse (2kg) Masse 40g Masse 40g Constante de gravitation universelle K = 6,67 10-11 dyne/cm2/s 1.1. Masse de la Terre Cavendish : Masse de la Terre: 5,976.1024 kg Volume: 1083 1027cm3; Densité:5,52 Surprise la Terre n’est pas homogène… Calcul par la loi d’action de masse F=G(MM’/d2) avec: M et M’ masses des deux corps G constante de gravitation universelle d distance séparant les deux corps. si on pose: M=1(on néglige la masse d’un corps devant celle de la planète) M’=masse de la Terre R=rayon moyen de la Terre g=accélération de la pesanteur g=G(M’/R2) M’=gR2/G Calcul par l’orbite des satellites G(M’m/r2)=mv2/r avec: m=masse du satellite v=vitesse du satellite r=distance satellite-centre de la Terre si T est la durée d’une révolution du satellite autour de la Terre: T=2πr/v M’=4π2r3/KT2 Nous verrons plus loin comment g : accélération de la pesanteur est mesurée 1.2. Forme et taille de la géosphère 6357 Km 6378 Km Géosphère 1.2. La forme de la géosphère Apports de la géodésie et de la gravimétrie méthodes d’études indirectes (géophysique) GEODESIE : détermination géométrique de la forme de la T et mesure en tous lieux de la valeur du champ de gravité GRAVIMETRIE : mesure de l’intensité de la pesanteur TOUJOURS ET ENCORE LA LOI DE L’ATTRACTION UNIVERSELLE Qui en permettant l’étude du champ d’attraction terrestre permet indirectement d’étudier d’une part la forme de celle-ci, d’autre part d’accéder à la connaissance de sa structure interne 1.2. La forme de la géosphère Apports de la géodésie et de la gravimétrie : caractérisation du champ d’attraction terrestre - La GRAVITE: effet de l’attraction universelle entre un corps (M) et la masse de la T (mT) supposée située en son centre La PESANTEUR (P) est la résultante de 2 phénomènes majeurs : P = FN+ Fax FN due à l’attraction universelle : FN = K. (M.mT) / d2 - la FORCE AXIFUGE liée à la rotation de la planète par la formule Fax= 2 πω2 p ω: vitesse angulaire P:distance à l’axe de rotation de la T Fax =(0,3%) de la pesanteur Quel est le 3eme phénomène qui intervient dans la pesanteur? 1.2. La forme de la géosphère Apports de la géodésie et de la gravimétrie : M masse d’un objet en chute libre F = Mg = G(M mT /r2) D’où pour une masse unitaire g = GmT /r2 D’autre part v = gt Donc g est une acceleration Système MKSA : m.s-2 Système CGS : cm.s-2 ou Gal G constante de gravitation universelle (= 6,674x10-8 syst CGS) r rayon terrestre mT masse de la Terre La valeur de la pesanteur est de l’ordre de 981 gals à la surface de la terre elle est susceptible de variations en fonction de ??? 1.2. La forme de la géosphère Apports de la géodésie et la gravimétrie Questions -pourquoi suis je plus léger sur l’Everest qu’à Montpellier? -pourquoi suis je plus lourd au pole N qu’à l’Equateur??? 1.2. La forme de la géosphère : l’ellipsoide de référence En 1672, Richer horloger parisien constate un retard de 2’ 30’’ en Guyane de son horloge parfaitement réglée à Paris Newton et Huighens attribuent le retard à une valeur de g plus faible à l’Equateur qu’à Paris et postulent que la terre est un ellipsoide de révolution aplati suivant l’axe polaire (contrairement à la théorie des Cassini) Une célèbre expédition 1749 sous Louis XV résoud la question en mesurant la longueur du méridien terrestre vers le N et à l’équateur QuickTime™ et un décompresseur TIFF (non compressé) sont requis pour visionner cette image. A partir de ces découvertes Clairaut (1713-1765) détermine la forme d’équilibre d’une masse fluide en rotation uniforme ayant les caractéristiques de la T et soumise à sa propre attraction L’approximation de cette forme est une ellipsoide de révolution présentant un aplatissement de 1/232. 1.2. La forme de la géosphère : l’ellipsoide de référence Depuis 1965 de grandes campagnes internationales édifient le système GRS : Geodesic Reference System qui établit l’ellipsoide de référence. L’ellipsoide de référence est défini par la valeur du demi-grand axe équatorial a=6 378 136+/1 m et par son aplatissement f=(a-b)/a=1/298,257 +/0,001 L’ellipsoide international ainsi définit est la forme qui se rapproche globalement le plus de la forme réelle de la planète UTILISATION : L’ellipsoide de référence est utilisé dans chaque pays pour construire les cartes. Il est aussi utilisé pour les études gravimétriques 1.2. La forme de la géosphère : le géoide Mais la surface de la terre n’est pas homogène et régulière comme la surface d’un fluide en rotation les montagnes et les océans existent et des anomalies de la pesanteur sont observées Mis en évidence par Bouguer dans les Andes expédition de 1749 Qu’est ce que la verticale? Qu’est ce que l’horizontale? En tout point du globe la verticale est donnée par ??? En tout point du globe l’horizontale est donnée par ??? Il est possible de faire le tour du globe en restant sur une horizontale correspondant à une valeur donnée de la pesanteur: c’est une EQUIPOTENTIELLE DE PESANTEUR Le géoide est défini comme l’équipotentielle de pesanteur de la surface moyenne des océans à un instant donné. Il correspond à la forme « gravimétrique » de la Terre 1.2. La forme de la géosphère : les anomalies de la gravité Pour comparer la pesanteur mesurée en A à la valeur théorique en P on corrige la valeur mesurée de la correction de Bouguer. Si la différence entre la valeur corrigée et la valeur mesurée n’est pas nulle on considère qu’il y a une anomalie dans le champ de gravité Valeur mesurée A - (valeur théorique P+corr de Bouguer) Constatation : les corrections réalisées pour la chaine de montagne sont trop importantes on obtient une valeur différente de 0 dite aN de Bouguer qui est négative dans le cas de la chaine. La carte du géoide : écarts positifs en teintes orangé- rouge et écarts négatifs en teintes vert-brun par rapport à un ellipsoide d’aplatissement 1/298,252. Cette carte des ondulations de grandes longueurs d’onde (10 000 km) correspond au modèle dit en balle de tennis avec un creux au Sud de l’Inde (- 90m) et une bosse au niveau de l’Atlantique N (+ 50m) Le principe du gravimètre appareil de mesure d e la pesanteur 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, isostasie Remarque :un bon schéma vaut mieux qu’un long discours ENTRAINEZ VOUS Questions -pourquoi suis je plus léger sur l’Everest qu’à Montpellier? -pourquoi suis je plus lourd au pôle N qu’à l’Equateur??? Questions -pourquoi suis je plus léger sur l’Everest qu’à Montpellier? -pourquoi suis je plus lourd au pole N qu’à l’Equateur??? FN = Mg et g = GmT /r2 r terrestre pôle = 6357 km r terrestre équateur = 5378 km 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 = 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. Or 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?????? Jules vernes a-t-il la réponse? 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, isostasie 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 1.3.Structure interne de la géosphère 1.3.1. Les apports de la Séismologie Définition: Le séÏsme ou tremblement de Terre, naturel ou provoqué 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 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? 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. 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 Ondes de volume Trajets, réfractions des ondes P et S et zone d’ombre des ondes P. 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 1.3.3.Discontinuités de vitesse des ondes sismiques : discontinuités majeures et mineures Discontinuités majeures Gutenberg: -2900 km Lehman: -5100 km NOYAU INTERNE NOYAU EXTERNE MANTEAU Inférieur Supérieur 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! Le degré géothermique ?? La pression lithostatique?? 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 55%surface de la géosphère Épaisseur moyenne 8 à 15 km Densité moyenne 3,3 Affleurements? 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 20 à 70 km (40 en moyenne) Densité moyenne 2,7 (entre 1,6 et 3,3 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 1.4. L’origine de la structure de la T. en couches concentriques ??? ??? 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 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