Structure et contrastes de la Terre

Structure du globe terrestre

• La Terre est la 3e planète tellurique du système solaire, après Mercure et Vénus, mais avant Mars.
• C'est la plus grande planète tellurique, avec un diamètre de 12800 km.
• La Terre se distingue par son activité externe et son activité interne, notamment la tectonique des plaques.

Contrastes entre continents et océans

• Alfred Wegener a identifié deux types d'ensembles sur Terre au début du XXe siècle : les domaines continental et océanique.
• Le domaine continental a une altitude moyenne de 300 m, variant de 30 m à +8800 m.
• Le domaine océanique a une altitude moyenne de -4000 m, variant de 0 à -11000 m (fosse des Mariannes).
• Ces différences d'altitude résultent des densités différentes des roches qui composent chaque domaine.

Roches des domaines océanique et continental

• La répartition bimodale des altitudes reflète un contraste géologique marqué entre les domaines océanique et continental.
• Le fond des océans est recouvert d'une couche de sédiments relativement fine (0 à 2 000 m d'épaisseur).
• La croûte océanique est principalement constituée de basalte et de gabbro, deux roches magmatiques issues du refroidissement et de la solidification du magma.
• Le basalte et le gabbro partagent une composition chimique et minéralogique similaire, riches en cristaux de pyroxène et de feldspath.
• Les textures du basalte et du gabbro sont différentes.
• Le gabbro a une texture grenue, entièrement constitué de grands cristaux.
• Le basalte a une texture microlitique, avec peu ou pas de grands cristaux et une grande quantité de petits cristaux dispersés dans un matériau non cristallisé.
• La surface des continents présente une diversité de roches sédimentaires, magmatiques et métamorphiques.
• Le granite est la roche la plus représentative de la croûte continentale, avec une texture grenue.
• Le granite est constitué de quartz, de feldspaths et de micas, avec une composition chimique différente du basalte et du gabbro. Il est plus riche en silice et en potassium, mais contient moins de fer.
• La densité du granite est d'environ 2,7, inférieure à celle du gabbro et du basalte, environ 3.
• La distribution bimodale des altitudes reflète un contraste géologique, qui se manifeste dans la nature et la densité des roches.
• La croûte continentale est hétérogène en surface, mais les granites sont prédominants en profondeur.
• La différence de densité et nature des roches (basalte et gabbro pour les océans, granite pour les continents). Densité : environ 3 pour les océans et 2,7 pour les continents) reflète la bimodalité des altitudes à la surface du globe.

Ondes sismiques et structure du globe

• Les ondes P, ou ondes primaires, sont des ondes de compression ou longitudinales.
• Le déplacement du sol se fait par dilatation et compression, parallèlement à la direction de propagation.
• Les ondes P sont plus rapides (6 km/s près de la surface) et sont les premières enregistrées sur un sismogramme.
• Les ondes S, ou ondes secondaires, sont des ondes de cisaillement ou transversales.
• Les mouvements du sol sont perpendiculaires à la direction de propagation lors du passage des ondes S.
• Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides et sont plus lentes que les ondes P (4 km/s).
• La différence de temps d'arrivée des ondes P et S donne une indication sur l'éloignement du séisme.
• Les ondes de surface (ondes L et R) sont guidées par la surface de la Terre, comparables aux rides à la surface d'un lac, plus lentes, mais d'amplitude plus forte, causant des dégâts.
• Les méthodes sismiques (réflexion et réfraction) consistent à envoyer des ondes sismiques (naturelles ou artificielles) dans le sol.
• Les ondes sismiques sont réfléchies ou réfractées selon les milieux traversés, mettant en évidence les discontinuités entre les couches géologiques et permettant de déterminer la vitesse de propagation des ondes.
• Pour un séisme, il existe une « zone d'ombre », où les stations n'enregistrent aucune onde directe, entre 11 500 et 14 500 km du foyer. Cela indique la discontinuité de Gutenberg à 2 900 km de profondeur.
• Cette discontinuité sépare le manteau du noyau (plus dense, où les ondes P sont plus rapides), constitué principalement de fer.
• Les ondes S se propagent dans le manteau (état solide), mais ne réapparaissent pas au-delà de 14 500 km, ce qui indique que le noyau externe est liquide.
• L'étude des ondes sismiques révèle d'importantes discontinuités. Ce qui permet la construction d'un modèle du globe.
• La croûte (océanique ou continentale) a pour limite inférieure la discontinuité de Mohorovičić, ou Moho.
• Le manteau (solide) est situé entre le Moho et la discontinuité de Gutenberg (2 900 km), constitué de péridotites, où les ondes se propagent plus vite.
• La disparition des ondes S indique la présence d'un compartiment liquide en dessous.
• Le noyau se trouve à plus de 2 900 km, liquide dans sa partie externe et solide dans sa partie interne (séparées par la discontinuité de Lehman à 5100 km de profondeur).

Les enveloppes fonctionnelles

• L'analyse par sismique réflexion montre qu'il existe une zone de moindre vitesse des ondes sismiques (LVZ) entre 100 et 400 km de profondeur.
• La LVZ correspond à un compartiment ductile de péridotite plus « molle ».
• L'identification de ces éléments mène à la définition de deux enveloppes fonctionnelles : la lithosphère et l'asthénosphère.
• La lithosphère est composée de la croûte et du manteau lithosphérique (0–100 km).
• La lithosphère est solide cassante et forme une plaque.
• L'asthénosphère est composée de la partie supérieure du manteau (sans le manteau lithosphérique et s'étend de 100 à 670 km.
• La partie supérieure de l'asthénosphère, ou LVZ, est une zone « molle » permettant à la lithosphère de se déplacer.
• Ces deux enveloppes sont séparées par une température de 1 300 °C (isotherme 1300°C).
• La lithosphère forme des plaques solides cassantes qui flottent sur le sommet de l'asthénosphère ductile (LVZ), ce qui permet leur mobilité horizontale.
• L'épaisseur de la lithosphère est de 120 km, mais varie selon les zones (chaînes de montagnes plus épaisses, dorsales plus fines).
• Les variations de vitesse des ondes sismiques indiquent un ralentissement des ondes P et S dans le manteau supérieur (LVZ).
• Différences d'altitude s'expliquent par densités des roches.
• Le granite a une densité d'environ 2,7, le basalte et le gabbro ont des densités respectives de 2,9 et 3, et la péridotite a une densité de 3,2 à 3,3.
• Le domaine océanique, plus dense, s'enfonce dans le manteau asthénosphérique (LVZ).

Les enveloppes princiaples de la Terre

• 4 enveloppes principales : la croûte, le manteau extérieur/inférieur, le noyau externe et le noyau interne
• La croûte (0 à 30 km) est solide cassante, composée de granites (croûte continentale densité d'environ 2,7) ou de basaltes et gabbros (croûte océanique densité environ de 2,9 à 3).
• Le manteau supérieur (30 à 700 km) et manteau inférieur (700 à 2900 km), sont solides et composés de péridotite, séparés par l'isotherme 1300°C.
• Les données indiquent que le manteau est composé de péridotite (densité d'environ 3,2 à 3,3).
• Le noyau externe (2900 à 5100 km) est principalement ferrique et liquide.
• Le noyau interne (5100 à 6400 km) est un noyau ferrique solide
• Le domaine océanique, plus dense, s'enfonce plus dans le manteau asthénosphérique (LVZ).

Modèle thermique du globe terrestre

• Le géotherme représente les variations de température en fonction de la profondeur et du contexte géologique.
• Le gradient géothermique quantifie l'élévation de température, il est de 3°C/100 m dans la croûte continentale.
• Le flux géothermique représente l'énergie dissipée par la surface de la terre.
• Dans la lithosphère rigide, l'énergie thermique s'évacue par conduction thermique, le gradient est fort.
• Au-delà de 100 km (température > 1300 °C), les péridotites deviennent ductiles, le gradient est plus faible et le transfert d'énergie plus efficace (convection).
• Par convection thermique, les roches moins denses remontent, refroidissent et redescendent, créant des cellules de convection.

Anomalies thermiques

• La tomographie sismique identifie les anomalies thermiques à partir des variations de vitesse des ondes sismiques.
• Les anomalies prouvent l'hétérogénéité des enveloppes terrestres.
• Les zones froides accélèrent les ondes, les zones chaudes les ralentissent.
• Anomalies de faible température (subduction) : plaque océanique froide qui s'enfonce par convection.
• Anomalies de haute température (dorsales et points chauds) : colonne chaude ascendante (convection).
• Les points chauds correspondent à un manteau chaud remontant par convection thermique.

Enveloppes terrestres et évacuation de chaleur

• Les enveloppes terrestres évacuent la chaleur par convection et conduction, liés à des contextes géodynamiques.
• La conduction thermique se produit au niveau de la lithosphère et de l'interface noyau externe/manteau.
• Les transferts thermiques par convection accompagnent le magmatisme des dorsales, des points chauds et la plongée de la lithosphère en zone de subduction.
• La dissipation de l'énergie interne est le moteur de la dynamique des plaques lithosphériques sur Terre.