Thème 1. La Terre, la vie et l'organisation du vivant
Thème 1A : La dynamique interne de la Terre
Partie 1 : La structure du globe terrestre
Voyage au centre de la Terre - Tu mourras moins bête - ARTE
Comment les méthodes de
géophysique ont-elles permis de connaître la structure interne du globe ?
Chapitre 2 : L'apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre
Comment les ondes sismiques
ont-elles permis de connaître la structure interne du globe ?
I Les renseignements apportés
par l’étude des ondes sismiques
Les tremblements de terre ou
séismes* résultent de la libération d’énergie lors de ruptures de roches
soumises à des contraintes. Le point d'origine du séisme est l’hypocentre* ou
foyer sismique.
Un séisme déclenche la propagation
d’ondes sismiques : les ondes P (ondes primaires), les ondes S (ondes
secondaires) plus lentes que les ondes P.
Les ondes P et S se propagent à
l’intérieur du globe et nous renseignent sur la structure profonde du globe car
leur vitesse dépend de la densité, de la rigidité et de l’état physique des
matériaux traversés :
➢ Les ondes P (ondes primaires) se propagent dans les solides comme dans les fluides alors que les ondes S ne se propagent que dans les solides.
➢ La vitesse de propagation des ondes augmente quand la densité et la rigidité des matériaux traversés augmentent. Par conséquent, la vitesse moyenne des ondes augmentant avec la profondeur, plus on s’enfonce dans le globe terrestre et plus le matériau rencontré est dense.
➢ Les ondes sismiques se déplacent en ligne droite dans les milieux homogènes mais sont réfléchies et/ou réfractées lorsqu’elles rencontrent des discontinuités physiques.
L’étude de la propagation des ondes sismiques a permis de déterminer les discontinuités physiques de la Terre, la densité, l’état physique des matériaux rencontrés (solide, liquide).
Comment expliquer les variations
de vitesse des ondes sismiques ?
II Un modèle sismique de la
structure interne de la Terre
Le modèle sismique PREM (
Preliminary Reference Earth Model) : l’étude de la propagation des ondes
sismiques a permis d’établir un premier modèle de la structure interne de la
Terre en fonction de la profondeur: le modèle sismique PREM ou modèle radial.
La Terre est constituée d’enveloppes internes concentriques d’épaisseurs
très inégales : la croûte terrestre*, le manteau* et le noyau*.
Ces trois enveloppes sont délimitées par des discontinuités internes majeures* : la discontinuité de Mohorovicic* ou “ Moho ” sépare la croûte du manteau supérieur, la discontinuité de Gutenberg sépare le manteau inférieur* du noyau et enfin la discontinuité de Lehman sépare le noyau externe* du noyau interne*.
La mise en évidence de la discontinuité de Mohorovicic Livre p.122 doc.2
➢ La croûte
continentale occupe les 30 premiers kilomètres de la Terre au niveau des
continents et peut atteindre une profondeur de 70 km sous les chaînes de montagnes.
➢ La croûte
océanique est en moyenne épaisse de 5-7 km sous les océans.
➢ Le manteau,
composé de roches appelées péridotites est divisé en :
- manteau supérieur : il s’étend
du Moho à une profondeur de 700 km environ.
- manteau inférieur : il s’étend
de -700 km jusqu’à la discontinuité de Gutenberg à –2900km.
➢ Le noyau,
composé essentiellement d’éléments métalliques (fer 80% et nickel 20%) est
divisé en :
- noyau externe : il s’étend de –
2900 km jusqu’à la discontinuité de Lehman à –5100km.
- noyau interne : il s’étend de
–5100 km jusqu’au centre de la Terre, environ – 6370 km.
De toutes les enveloppes internes
de la Terre, seul le noyau externe est à l’état liquide. Les autres enveloppes
sont à l’état solide.
La distinction lithosphère –
asthénosphère
➢ Dans le
manteau supérieur il existe une zone moins rigide (située entre 100 et 300 km
de profondeur environ): c'est l’asthénosphère* qui présente un
comportement mécanique ductile.
➢ L’asthénosphère
est située sous un ensemble plus rigide formé de la croûte terrestre et la
partie la plus superficielle du manteau supérieur. Cet ensemble, croûte et
partie supérieure du manteau, appelé aussi manteau lithosphérique*, constitue
la lithosphère*. La lithosphère présente un comportement mécanique
cassant.
Les variations de température et
de pression jouent un rôle prépondérant sur les propriétés physiques* des
matériaux. L’asthénosphère présentant un comportement mécanique ductile*, elle
est donc relativement moins visqueuse que la lithosphère qui la surmonte
présentant un comportement mécanique cassant.
➢ La limite
lithosphère-asthénosphère est donc une limite thermique. Ces deux enveloppes sont séparées par l’isotherme 1
300°C.
➢ La
lithosphère continentale a une épaisseur qui peut atteindre 200 km alors que
l’épaisseur de la lithosphère océanique varie entre 5-7 km à 100 km.
Remarque : certains auteurs assimilent l’asthénosphère à une enveloppe comprise en moyenne entre 100 et 700 km de profondeur. La zone de plus faible vitesse est appelée LVZ (Low Velocity Vitess) entre 100 et 300 km de profondeur, au-delà, on parle de zone de transition jusqu’à 700 km.
Quels sont les modes de transfert de chaleur?
III L’apport des études
thermiques à la connaissance du globe terrestre
III-1 Les modes de transfert de
chaleur au sein de la Terre : un modèle thermique de la structure interne
La température interne de la Terre
croît avec la profondeur mais pas de façon continue. Le profil d’évolution de
la température interne présente des différences suivant les enveloppes internes
de la Terre, liées aux modes de transfert thermique : la conduction
et la convection.
Deux mécanismes de transfert
inégalement efficaces
L’énergie thermique est propagée
par conduction et par convection :
➢ la conduction est un transfert de chaleur de proche en proche sans déplacement de matière. L'échange thermique entre une région chaude et une région voisine plus froide se matérialise par un fort gradient géothermique (par exemple dans la croûte, 30°C/km). L'efficacité de ce transfert dépend de la conductivité du matériau.
➢ la convection correspond à un transfert de chaleur par déplacement des matériaux dont la température varie peu. Le gradient géothermique est alors très faible, de 0,3°C/km par exemple). La matière chaude a généralement tendance à s’élever (densité plus faible) alors que la matière froide a tendance à descendre (densité plus forte). Ces échanges de matière ont été identifiés par tomographie sismique et ont mis en évidence des flux de matière circulaires formant des cellules de convection. Ce transfert d’énergie est très efficace.
Le profil d’évolution de la température en fonction de la profondeur présente donc des variations suivant les enveloppes internes de la Terre, liées aux modes de transfert thermique
Quelles sont les propriétés
physiques et thermiques de la lithosphère et de l’asthénosphère ?
III -2 Un modèle thermique du
globe terrestre
On peut considérer la Terre comme
une sphère dans laquelle existe une convection lente dans le manteau à
l'origine des remontées et des descentes asthénosphériques. Celles-ci sont à
l'origine de la dynamique lithosphérique et donc aussi à l'origine des
manifestations de surface. Ces cellules de convection sont repérables par
tomographie sismique. Ainsi, la dissipation d'énergie interne du globe est
responsable du déplacement des plaques lithosphériques. De part et d'autre de
cette zone convective existent deux couches où règne la conduction: la lithosphère
et l'interface manteau inférieur/noyau externe.
Ainsi, l'énergie interne de la Terre est efficacement transférée par convection de la profondeur vers la surface dans le manteau puis dissipée par conduction à travers la lithosphère.
Qu'appelle-t-on la tomographie
sismique ? Pourquoi cette technique fait-elle évoluer le modèle de la structure
interne de la Terre ?
III-3 Les apports de la tomographie sismique
Logiciel tomographie sismique en ligne
Le principe de la tomographie sismique est basée sur les anomalies de vitesse de propagation des ondes sismiques qui sont enregistrées par des instruments situés dans de nombreuses stations sismiques situées à la surface du globe: les ondes qui montrent un retard par rapport aux autres ont traversé une zone plus chaude et moins dense. Celles qui sont accélérées ont traversé une zone plus froide et plus dense. La tomographie sismique montre qu’il existe des variations hétérogènes latérales (horizontales) détectées par des anomalies de la vitesse de propagation des ondes sismiques . Ces anomalies sont interprétées comme des hétérogénéités thermiques au sein du manteau.
Images tomographiques au niveau de l'Amérique centrale (Central America)
Une des visions modernes de la convection mantellique (selon Kevin C. A. Burke (en)).
