Dynamique des enveloppes terrestres

Dynamique des enveloppes terrestres
P.Charvis :[email protected]
I] Pourquoi étudier la Terre?
La Terre nous fournit des ressources :
•Chimiques utilisés dans l'industrie
◦O, Si, Fe, Mg, Al, S, Ni, Ca sont présents en grandes quantité
◦Cr, Ti, Co, Ni, Cu, Zn, U, Au sont exploités
•Des roches et minéraux
◦Eau
◦Charbon, pétrole et gaz
◦Calcaire
◦Gemmes
•Elle fournit de l'énergie
◦Géothermie
◦Hydroélectricité
•La Terre est utilisée pour le stockage
◦Des déchets (radioactif par exemple)
◦Projet de stockage du
CO2
•Nous subissons les colères de la terrestres
◦Séismes, volcanisme, glissement de terrain, tsunamis... peuvent avoir un fort impact sur les populations
•L'homme perturbe durablement l'environnement terrestre
Ainsi, les Géoscientifiques sont requis tant dans l'industrie que dans le développement durable, mais également pour la
préventions des catastrophes, comprendre et adapter les constructions à ces catastrophes...
1) Le Pétrole :
Le pétrole est essentiellement utilisé dans les carburants, les combustibles, les lubrifiants, bitumes, gaz, et autre dérivés
pétrochimiques (plastiques, nylon, isolants, caoutchouc...)
La consommation de pétrole a beaucoup augmenté depuis 1930, mais actuellement, les découvertes sont bien inférieurs à la
production...
Les pétrole extra-lourds sont très visqueux, et donc très
difficile à exploiter.
Le pétrole Offshore est très difficile à exploiter aussi à
cause de la profondeur des gisements.
2) Les métaux rares
Certains éléments, comme l'indium le galium, l'iridium,
germanium.... sont très utilisé dans l'industrie moderne
(informatique, téléphonie, électronique, photovoltaique),
mais sont produits en petites quantités (quelque milliers
de tonne par an). Ce sont des enjeux important des
géosciences.

II] La Terre et le système solaire
1) La formation du système solaire
L'univers est régit par quatre forces :
•La gravité
•Les forces électrostatiques
•L'interaction faible
•L'interaction forte.
Composée de 250 milliards d'étoiles, de forme discale...
Le système solaire est issu d'une nébuleuse protosolaire :
•Contraction d'un nuage interstellaire en rotation faible
•Formation d'un proto-soleil en forme de disque ( due à la force
centrifuge → concentration du gaz interstellaire dans un plan),
anneau de matière
•Collision, accrétion de la matière et formation des protoplanètes en
rotation autour d'une étoile unique
Si la vitesse de rotation du nuage est plus forte, on aurait deux étoiles...
2) Le système solaire
3) Le Soleil
Au sein du soleil des réaction de fusion (
2H He
) produisent une chaleur considérable, qui entraîne une température de
16 millions de Kelvin.
Caractéristiques :
Diamètre :
1,410 .106km
Densité : 1,41
Composition : He 25%, H 20%
Masse :
2,1027 T
Température interne :
16.109° K
température externe :
5770 ° K
Planètes telluriques
Planètes Gazeuses

4) La Terre
Lors de sa formation (4,5 GA), la terre était un amas de roche en fusion (océan magmatique). Si les couches supérieurs ont
refroidi rapidement, les couches plus interne mettent du temps à refroidir. Ainsi, la Terre a de l'énergie thermique
emmagasinée. Cependant, comparativement à certains autres mécanisme de production de chaleur, la chaleur initiale
emmagasinée reste très secondaire.
Caractéristiques :
Diamètre : 12730 KM
Densité : 5,5
Masse :
6.1024 T
Particularité : présence d'atmosphère (78% N, 21% O, 1% gaz rares)
Distance terre-soleil :
14,6 .109km
5) La lune
Principal satellite de la terre, les conditions de températures y sont très fluctuante (variation de 150°), et ses masse volumes et
densité ne permettent pas le maintient d'une atmosphère.
Diamètre : 3470 KM
Densité : 3,5
Masse :
7,36 .1019 T
Distance terre-lune :
384000 km
6) L'avenir de notre Système solaire et de la terre
•A long terme : mort du soleil
•A moyen terme : la terre a consommé toutes ses sources d'énergie interne (dégradation des éléments radioactifs)
•A court terme : L'homme perturbe l'équilibre écologique de la Terre (atmosphère, eau, climat...)
III] La Terre, une machine bien vivante
La terre est une planète thermiquement active, et le refroidissement sur la terre va induire l'apparition de :
•L'atmosphère
•La géosphère
•Hydrosphère
•Continents
1) L'atmosphère
La terre possède un champ de gravité (
g=G M TMobjet
r²
). Pour vaincre ce champ, un particule doit avoir une vitesse telle
que son énergie cinétique soit supérieur à ce champ de gravité. Ainsi, un objet de masse m doit avoir une vitesse telle que :
1
2mv²≥GmM T r²
soit
v≥
2GM
r²
. Cette vitesse peut provenir de la température
v² =2kT
m
(entre 3 et 5 km/s).
Les rapports isotopiques des gaz rares montre que ces
gaz ne sont pas issus de l'extérieur (nébuleuse solaire
primitive), mais vient essentiellement du dégazage et de
la production par les végétaux photosynthétiques. Le
dioxyde de carbone présent majoritaire il y a 4MA a été
métabolisé par les végétaux, et a précipité dans les
océans.

2) La géosphère
a) Les minéraux terrestres
La terre s'est formé par (dite homogène) des gaz et
des poussières proto-solaires et globalement, la Terre
a la même composition que le soleil (excepté les
gaz) : Si, O, Mg, Fe, S, Al, Ca.
b) L'accrétion homogène et la
différenciation de la géosphère
Elle se fait sous l'effet de la gravité, et dans des
conditions de haute température essentiellement. Sous
l'effet de la gravité, les molécules lourdes (Fe
notamment) se concentrent au centre de la sphère, qui
deviendra le noyau. Le manteau se différencie après
en deux zones : le manteau inférieur (silicaté et
homogène), et le manteau supérieur (zoné et forme
une croûte).
La Terre est ainsi sectorisée :
•Lithosphère : partie superficielle et solide
•Asthénosphère : partie ductile du manteau située sous la
lithosphère.
En fonction de leur affinité, les éléments chimiques sur Terre ont été
classés par Goldschmit (voir ci dessus)
c) Manteau et croûtes
Dans le langage courant, le rivage est la limite entre la
terre et la mer. Du point de vue géologique, on voit
même si il y a une corrélation entre le rivage et la
limite terre/mer, ce n'est pas exactement la limite
entre les plaques continentales et océaniques.
Les plaques océaniques sont riches en minéraux
hydratés (haute pression basse température) :
Pyroxènes (verts, foncés, ou noirs, souvent allongés,
ce sont des minéraux d'origines volcanique)
Amphiboles sont des pyroxènes avec des
groupements hydroxydes.
Feldspath, pyroxènes et amphiboles forment le
gabbro
Dans la croute continentale, on retrouve des
minéraux silicatés : Granit (mica + quartz + feldspath) roche plutonique issue d'un
refroidissement lent. C'est l'élément majoritaire dans la croûte continentale.
Le manteau quant à lui, est constitué de Si, O, Mg et Fe principalement. Les
minéraux les plus abondants sont l'olivine (silicate de Fe et Mg), des Pyroxène et
grenats (silicates de Ca et Al).
Les différences de pression et températures entre le manteau supérieur et inférieur
entraîne des composition cristallines différentes.

d) La lithosphère
Elle repose sur une asthénosphère ductile (donc déformable) qui n'est pas constituée de roches en fusion. Elle contient
essentiellement des péridotites (olivine + pyroxène + minéraux alumineux)
IV] La machine thermique
Les apports d'énergie interne :
•L'énergie d'accrétion (formation de la terre)
•L'énergie de différenciation
•L'énergie radioactive
Au total, on a environ
42,3 TW
(soit un dégagement flux moyen de
70 mW /m2
).
Les apport thermiques externes :
•Le soleil qui dégage
7.105TW
(soit un flux moyen de
340 W/m2
)
1) La désintégration
C'est la principale source d'énergie, mécanisme durable car la période des éléments producteurs d'énergie (uranium, thorium,
potassium) est de près de MA. C'est la croute continentale qui contient le plus d'éléments radioactifs, mais de par sa masse,
c'est le manteau qui dégage le plus d'énergie. A l'inverse, le noyau dégage peu d'énergie par désintégration.
2) Le flux thermique de la Terre
Ce flux thermique n'est pas homogène à la surface du globe. Le flux
thermique est très élevé au niveau des dorsales océaniques, et au niveau
de zones de subduction. En milieu océanique, le flux thermique traduit
globalement l'âge de la plaque...
Cette énergie thermique peut être conduite de différentes façons :
•Rayonnement thermique : tout solide est le siège de vibrations
thermiques et donc d'une énergie thermique. Une partie de cette chaleur est véhiculée sous forme d'onde
électromagnétiques. C'est la seule façon de transmettre de la chaleur sans contact. Les infrarouges issus du soleil
transmettent la chaleur, et la terre émet un rayonnement infrarouge pour dégager une partie de son énergie interne.
•Conduction : La chaleur se propage des zones chaudes vers les zones froides, lié à une vibration du réseau cristallin.
Chaque corps est caractérisé par un paramètre physique : la conductivité thermique qui mesure sa capacité à conduire
la chaleur. Elle s'exprime en
k=W.m−1.K−1
, et est très faible dans la croute. Ainsi, si c'était le seul moyen de
transférer la chaleur dans la Terre, on aurait une fonction linéaire qui représenterait ce phénomène, or, ce n'est pas le
cas.
•Convection : La matière chaude se met en mouvement et assure directement le transfert
de la chaleur, créant un flux de matière. Dans le manteau, des mouvements circulaires
sont créés, et forment des cellules de convection.
Le nombre de Rayleigh (sans dimension, dépendant de la viscosité, température,
densité...) à sa valeur critique, définit le moment où la poussée d'Archimède prendra le
dessus sur les autres forces, et qu'il y aura donc création de mouvement.
Dans le manteau à l'état solide (roche ductiles), il y a deux couches de cellules de
convection, et des cellules de convection descendantes correspondent à des zones de
subduction. Couplée à la gravité, les forces de convections entraînent le mouvement des
plaques. De plus, les mouvements de convection amincissent la plaque chevauchante.
3) Le Noyau et les champs magnétiques
Au niveau du noyau, un champ magnétique trouve sa source dans la partie liquide (entretenu par des phénomène de
cristallisation et de déplacement de ces cristaux vers le centre du noyau). Le noyau émet un Champ magnétique qui interagit
avec les vents solaires. L'effet dynamo crée des courants électriques par induction en déplaçant un conducteur près d'un aimant.
Il existe probablement des interactions entre le noyau et le manteau, notamment par le biais de la couche D'' peu connue, à la
topographie instable, avec d'importantes variations de température et de pression.