Géologie Général PDF

Chapitre I : la cosmologie I. Introduction générale Jusqu’à une époque récente, l’Homme a toujours eu la préoccupation de comprendre son environnement dans son ensemble, sans en avoir les moyens. Sur le plan observationnel, l’œil nu est limité à quelques centaines d’années-...

Chapitre I : la cosmologie I. Introduction générale Jusqu’à une époque récente, l’Homme a toujours eu la préoccupation de comprendre son environnement dans son ensemble, sans en avoir les moyens. Sur le plan observationnel, l’œil nu est limité à quelques centaines d’années- lumière, c’est-à-dire à la proche banlieue du Soleil (à peine un dix- millionième de l’Univers observable en distance ; l’Univers observable est l’ensemble de ce que l’on peut voir aujourd’hui, il est défini plus loin. En volume, ce n’est plus que la fraction 10-21 de ce qui existe…) (une année-lumière = la distance parcourue par la lumière en une année = 9 460 milliards de km avec une vitesse de 300 000 km/s). 1  Au début de XXe siècle encore, Hubble (1923) découvrait que toutes les galaxies dont ils prenaient les spectres (spectroscope: appareil servant a étudier et a décomposer les spectres de la lumière), présentaient un décalage de leurs raies spectrales vers le rouge..  Principe de Doppler : tout comme le son, la lumière subit une variation des radiations comme suit « qd un objet lumineux s’éloigne de nous sa lumière devient plus grave, elle est décalé vers le rouge et perd de l’énergie et qd l’objet vient vers nous sa lumière devient plus aigue, elle est décalé vers le bleu et acquiert de l’énergie le changement de la couleur est d’autant plus grand que la vitesse augmente.  L’explication la plus vraisemblable a vite été donnée : l’Univers est en expansion, et les distances entre les galaxies s’accroissent parce que l’Univers grossit. décalages vers le rouge des systèmes de raies indiquaient que certaines galaxies s'éloignaient de nous - de la Voie Lactée - à plus de 1800 km/s 2  Georges Lemaître a déduit les conséquences passées de l’expansion : en regardant le film à l’envers, on voit l’Univers se contracter jusqu’à une densité très grande. Il en a déduit que l’Univers avait dû se trouver dans un état d’extrême condensation, qu’en vertu des idées de l’époque sur la radioactivité, il a nommé atome primitif. Cette notion n’est autre que le Big Bang, sauf le nom. L’essentiel est l’existence d’un instant initial.  Mais pour pouvoir propulser à des distances et des vitesses aussi intense la matière de l’univers Gamow affirmera que la lumière dégagé par cette explosion primordale doit encore exister, mais celle-ci est invisible parce qu’elle s’est tellement refroidie, qu’elle a fini par perdre son energie initiale 3  Il faut trouver ce rayonnement fossile (les recherches ont été entamé depuis 1940 et c’est en 1968 que deux physiciens constatent lors d’une mission devraient tester un détecteur ultrasensible d’ondes radio que leur appareil captait bcp de bruits anormal uniformément répondu à travers toute l’atm et même au delà de notre système solaire voir même de notre galaxie ……  Arguments en faveur du big bang 4  II. origine de l'Univers «L'expansion constante de l'Univers implique qu'à un certain moment, l'origine de l'Univers était concentrée en un seul et même point. Les calculs faits par la suite ont démontré que ce point unique, qui abritait toute la matière alors présente dans l'Univers, devait avoir un volume nul et une densité infinie. L'Univers est donc le résultat de l'explosion de ce point unique au volume nul. Cette grande explosion, qui a permis la naissance de l'Univers, de même que la théorie décrivant ce phénomène, a été appelée le "big bang". Découvert par Géorge le maitre (monde occidental) en 1931. 5 Définition : Le Big Bang est le nom donné à une formidable expansion d’une infime quantité d’énergie ( chaude et dense) , il y a environ 13.5 milliards d’années. 6 A l’origine, il y a un milieu très chaud et très dense d’une taille semblable à une tête d’épingle comprimée dans un tout petit noyau c’est à dire qu’à ce moment, juste avant le Big Bang, toute la composition actuelle de l’univers était comprise dans un volume infiniment petit.  C’est alors que le Big Bang eut lieu. ce phénomène étant, en fait, une expansion (dilatation de l’univers) gigantesque transformant le milieu très chaud et dense d’origine en un univers (petit à petit) infiniment grand et froid. 7  III. composition de l’univers III.1. La composition actuelle de l’univers  L’univers actuel, froid et vaste se compose de différents éléments. Premièrement, notre univers est composé d’une infinité de galaxies et de vide ou matière noire laissant perplexe la plupart des scientifiques. Ces galaxies sont elles mêmes composées de différents corps, tels les planètes, les étoiles, les trous noir, les satellites, les astéroïdes, les comètes, etc.. 8 Les galaxies  Il y a plusieurs centaines de milliards de galaxies dans l'univers, et dans chacune plusieurs centaines de milliards d'étoiles.  On peut regrouper les galaxies en amas, eux-mêmes groupés en superamas par l’effet de la gravitation.  Dans une galaxie toutes les étoiles tournent autour d'un axe.  Notre galaxie, la Voie Lactée. 9 Il ya 3 types de galaxies:  Les galaxies spirales, 25 % des galaxies de l'univers, sont entourées d'un halo galactique formé de gaz et de poussières dans lequel on trouve des étoiles isolées et des amas globulaires.  Les galaxies elliptiques (65 % des galaxies) qui n'ont pas de structures évidentes, à part leur symétrie elliptique ou sphérique. Elles sont composées en majorité d'étoiles âgées et sont le siège d'émissions radios importantes d'où leur nom de radiogalaxies.  Les galaxies irrégulières, qui n'entrent pas dans ces 2 types principaux, ne représentent que 10 % des galaxies, elles sont riches en matières interstellaires et pauvres en éléments lourds. 10 11 le télescope spatial Herschel vient de montrer que l’on pouvait expliquer leur apparition par la fusion de deux galaxies spirales 12  Plus les galaxies évoluent, plus la matière interstellaire est consommée par les étoiles qui rejettent à leur mort des éléments lourds. Ainsi les galaxies irrégulières seraient peu évoluées contrairement aux galaxies elliptiques. Cela ne veut toutefois pas dire qu'elles sont plus jeunes. 13 la Voie Lactée  C'est une galaxie spirale, comme 25 % des galaxies de l'univers. Les galaxies spirales sont entourées d'un halo galactique formé de gaz et de poussières dans lequel on trouve des étoiles isolées et des amas globulaires.  La Voie lactée appartient à un groupe de galaxies groupe de galaxies simplement appelé Groupe Local, qui comprend deux grandes galaxies (la Voie lactée et M31, la galaxie de l’endroméde), quelques objets intermédiaires et plus de 25 galaxies naines. Le Groupe local est organisé suivant deux sous-groupes, chacun centré sur la Voie lactée et M31 respectivement. 14 15 16  La galaxie d’Andromède est la grande galaxie la plus proche de notre galaxie, à environ 2,9 millions d’années de lumière mais il y a beaucoup de petites galaxies très proches. (25 galaxies naines du Groupe local sont des satellites ou des compagnons de la Voie lactée. 17  Système solaire  Le système solaire est un système planétaire composé d’une étoile, le soleil et de corps célestes gravitant autour de lui (huit planètes et leurs 175 satellites naturelles connus « les lunes », 5 planètes naines et des milliards de petits corps glacés « comètes). 18  On pense que les planètes se sont formées en même temps ou peu de temps après le Soleil.  - Les planètes internes proches du Soleil (Mercure, la Terre, Mars, Vénus…) sont dites telluriques car elles sont composées de matière rocheuse, agglomérats de poussières cosmiques, de glace et de matière lourde expulsée par le Soleil. Tout cela toujours sous l’effet de la gravitation.  - Les planètes externes géantes (Jupiter, Saturne…) sont principalement formées de gaz qui n’ont pas atteint la masse suffisante pour devenir une étoile. 19 LES PLANETES TELLURIQUES MERCURE Complètement métallique; Aucune atmosphère différentié. Cratères et Mers (plaines);Noyau liquide. VENUS Pas de champ magnétique; Atmosphère très chaude. Croûte ductile. MARS Pas de champ magnétique; Atmosphere très mince. Croûte ductile. 20 LES PLANETES GAZEUSES JUPITER & SATURNE Hydrogène et Helium Planètes glacées Noyau hydrogène métallique URANUS & NEPTUNE Petites planètes bleues! Champ magnétique incliné Uranus – rotation inclinée 21  Noter bien  Une planète tellurique, en opposition aux planètes gazeuses, est une planète composée de roches et de métaux qui possède en général trois enveloppes concentriques (noyau, manteau et croûte). Sa surface est solide et elle est composée principalement d'éléments non volatils.  Les planètes telluriques sont beaucoup plus petites que les planètes gazeuses mais ont une densité beaucoup plus élevée car elles sont composées de fer et de silicates.  Les planètes gazeuses sont plus éloignées du Soleil dans le Système solaire et possèdent un nombre important de satellites. Elles possèdent aussi toutes des anneaux planétaires. 22  Notre Terre est âgée de 4,6 milliards d’années. Son atmosphère primitive était principalement composée d’azote, de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau. Cette vapeur d’eau, en se condensant, a donné naissance à un océan primitif (le Iapetus), entourant un continent unique (le Gondwana). En regardant la carte du monde, on voit que les choses ont bien changé depuis : c’est l’effet de la tectonique des plaques. 23 VI Origine de la terre La terre s’est formé à partir de poussières flottante dans l’espace, composés de débris d’ancienne étoiles géantes qui au terme de leurs vie, ont explosés. De ce supernové provient tout les éléments qui existe sur terre (C, Fe, Au, …) et des substances radioactifs. La poussière d’étoile se refroidie, se densifie et sous l’effet de la gravité, ce nuage va s’éfondre sur lui-même formant un disque géant en rotation : la nébuleuse solaire, en son centre née une étoile : le soleil (formé essentiellement d’hydrogène H qui se transforme en hélium He) 24  Origine de la terre (suite)  Les débris de poussières tournent autour de ce jeune soleil, et parfois entrent en collision et s’accumulent pour former des grandes masse (la poussière se transforme en rocher) et la violence des impacts dégage une chaleur intense.  Au fur et a mesure que les masses rocheuses grossissent, leurs gravité augmentent attirants d’autant plus d’objets  10 milles ans plus tard, les petits rochers se transforment en sphères rocheuses de 16 km de diamètre chacune sont formés et sont limités par une ceinture d’astéroides qui sépare les planètes telluriques des planètes gazeuses et c’est là ou l’histoire de nôtre terre a commencé. 25  V. histoire de la terre  La terre primitive a vu le jour, comme une sphère rocheuse non différencié recouverte de laves caractérisées, par la présence les éléments radioactif piégés au moment de de sa création, qui la réchauffe de l’intérieur et la terre attire de plus en plus de corps céleste donc les bombardements s’accentue et la température de surface augmente et la sphère rocheuse se transforme en boule de magma fluide dont les éléments les plus dense (fer), vont plonger en profondeur et les éléments les plus légers vont flotter a la surface (carbone et l’eau), c’est la période de grande migration 26  histoire de la terre (suite)  Le fer liquide concentré au centre de la terre (noyau) en ébulition, qui va élaboré une force invisible va transformé la terre en un aimant géant doté de deux pôles magnétique (pôle nord et pole sud)  Le changement du champ magnétique terrestre indique que les mouvements de convexion à l’intérieur de la terre sont toujours en agitation  Sans ce champ magnétique la terre n’aurait pas d’atm et la terre ne serai pas viable. 27  Sans noyau fluide la terre serait une masse rocheuse stérile sans champ magnétique et sans atm c’est le cas de la planète de mars 28 IV Origine de l’eau sur la terre  L’eau s’est formée très tôt après la création de la terre ; elle a pour origine deux sources principales: I. L’arrivée de l’hydrogène repoussé par le vent solaire (rayonnement) (sachant que la réaction solaire est maintenue par la transformation de l’hydrogène en hélium) cet H réagit avec le C pour donner le gaz carbonique et l’eau. II. Par le bombardement sur la terre, des comètes et des météorites. 29  Origine de l’eau sur terre (suite)  La température à la surface de la terre était de l’ordre de 800°c et la pression de 12 bar et l’eau existait alors sous forme de vapeur à l’intérieur de l’atm primitif, petit à petit la température baissait et l’eau se condensait pour donner l’orage le plus fantastique de tout les temps (3.5MA) puis l’eau à commencé à se ré-évaporé pour se condenser pour donner des pluies sur plusieurs reprises Et l’océan primitif avait une température de 80°C 30  IIV. Origine de la vie sur terre  La première cellule a vu le jour dans le milieu océanique, il s’agit de l’algue bleu, qui va se multiplier pour envahir tout l’océan ce qui avait un effet très important, puisque ces algues vont consommé le CO2 atmosphérique pour libérer l’O2 et la matière organique et donc un refroidissement le l’atm pour aboutir à un climat proche de l’actuel 31  La Terre s’est formée il y a 4,5 Ga par accrétion. Les impacts météoritiques libèrent une importante quantité d’énergie qui favorise la fusion des roches. L’activité volcanique est très élevée et s’accompagne d’un dégazage permettant la formation de la première atmosphère terrestre. Sa composition est supposée proche de celle des gaz volcaniques actuels et des chondrites (météorites indifférenciées), (voir Tableau 1). Elles est donc très riche en vapeur d’eau et dioxyde de carbone. On note l’absence de dioxygène H2O CO2 N2 O2 Gaz volcaniques actuels 83 % 12 % 5% 0% Gaz des chondrites 80 % 15 % 5% 0% 32  La surface de la Terre se refroidit progressivement. La vapeur d’eau atmosphérique se condense et précipite à la surface de la planète. Les océans se forment. La composition de l’atmosphère est alors modifiée : elle présente une forte concentration en dioxyde de carbone. Une partie importante de ce dioxyde de carbone se retrouve dissous dans l’eau des océans. Le taux de dioxyde de carbone devait être alors de 60 à 70 %. C’est l’atmosphère primitive (Doc. 1). 33  Passage de l’atmosphère primitive à l’atmosphère archéenne  elle montre l’apparition de dioxygène en faible quantité probablement due à la photolyse de l'eau par les rayonnements solaires. Puis la Vie apparaît (- 3,5 Ga) et enfin la photosynthèse (- 2,8 Ga). On retrouve les marques de cette atmosphère dans des roches sédimentaires appelées uraninites qui se forment en présence d’une atmosphère pauvre en O2. 34 Passage de l’atmosphère archéenne à l’atmosphère moderne  L’atmosphère moderne : elle correspond à l’atmosphère actuelle. La transition consiste en la transformation d’une atmosphère réductrice à une atmosphère oxydante. Le O2 produit par la photosynthèse va tout d’abord être piégé dans les roches sédimentaires de type hématite puis il va diffuser dans l’atmosphère. Ainsi, les roches qui se forment aujourd’hui sont toutes constituées de minéraux oxydés. Les événements tectoniques qui animent la surface de la Terre participent à la transformation de l’atmosphère en favorisant la photosynthèse(formation de marges passives) ainsi que l’activité solaire. 35 Chapitre II: Structure de la planète terre 36  I. L'atmosphère  L'atmosphère est l'enveloppe gazeux le plus externe de notre planète. composée d'azote N2 (78%), d'oxygène O2(21%), d'argon (1%), de gaz carbonique (398ppmv), d’eau (0.5 à 5%) et de divers gaz rares dont l'ozone.  Sa présence est tout de même révélée par la couleur bleue du ciel. Les molécules absorbent une partie du rayonnement électromagnétique émettent un rayonnement vers le bleu. Une partie seulement de l'énergie solaire atteint donc la surface de la Terre et cela contrôle tous les processus physiques et biologiques photosensibles. De même, une partie seulement du rayonnement tellurique infra-rouge s'échappe vers l'espace.  L'atmosphère joue un rôle de filtre dans les deux sens.  La limite entre l’atm terrestre et l’atm solaire n’est pas définit précisément : correspond à la distance où le gaz atmosphérique ne subit pas d’attraction 37 terrestre et l’action de son champ magnétique  La composition chimique de l'atmosphère et la structure thermique qui en résulte permettent de distinguer 4 enveloppes atmosphériques, de bas en haut : troposphère, stratosphère, mésosphère et thermosphère.  plus on s'éloigne de la surface de la Terre moins l'atmosphère est dense, cela signifie que plus l'altitude augmente moins il y a de molécules dans un volume donné d'atmosphère. Le passage de l'atmosphère à l'espace est donc progressif et décider d'une limite supérieure pour l'atmosphère est d'autant plus difficile. 38 La notion de diminution de densité de l'atmosphère avec l'altitude, sans jamais vraiment atteindre une valeur de densité nulle est identique à celle d'une courbe s'approchant indéfiniment de son asymptote sans jamais la toucher. La figure 1 illustre cette notion. Elle ne représente pas l'évolution de la densité de l'atmosphère avec l'altitude mais la distribution de la masse de l'atmosphère en fonction de l'altitude, qui a été déduite des valeurs de densité. L'axe des ordonnées indique la proportion massique de l'atmosphère. Sur cette figure l'asymptote est la ligne horizontale m/Minf= 1 (ligne rouge). 39 40 Troposphère: Située entre la surface du globe et une altitude d'environ 8-15 km, selon la latitude et la saison. Plus épaisse à l'équateur qu'aux pôles. Cette couche atmosphèrique contient 90% de la masse totale de l'atmosphère, très importante car on y trouve l'air que l'on respire. La température diminue avec l'altitude, à peu près de 10°C tous les 1000 m. On y trouve également la plupart des phénomènes météorologiques. Cette couche se trouve sous la stratosphère via sa limite supérieure appelée tropopause, qui marque aussi la limite de la biosphère. 41 Stratosphère: Cette couche de l'atmosphère terrestre se poursuit jusqu'à une altitude de 50 km. Alors que dans la troposphère la température décroît avec l'altitude, on observe le phénomène inverse dans la stratosphère. Cette augmentation (d'environ -60°C à 0°C) est due à l'absorption par la couche d'ozone de la plus grande partie du rayonnement ultra-violet. Cet accroissement de T° avec l'altitude se nomme "inversion" et a comme caractéristique d'être très stable; très peu de mouvements verticaux dans cette masse d'air sont observés, c'est donc pour cela que les couches d'air forment des "strates", phénomène à l'origine du nom stratosphère. Cette couche précède la mésosphère par sa limite appelée stratopause. 42 Mésosphère: Celle-ci quant à elle se situe entre 50 et 90 km d'altitude. La température y décroît avec cette dernière. C'est à sa limite supérieure que l'on trouve les températures les plus basses, pouvant atteindre -73°C voir encore moins. C'est aussi une zone de transition entre l'espace et la terre, en effet les couches suivantes sont très pauvres en air et donc moins denses, n'offrant quaziment pas de résistance et donc pas d'échauffement lors de son franchissment (météorites, navettes spaciales,...). C'est donc à partir de la mésosphère que l'on commence à trouver de l'air. 43 Thermosphère: Cette couche débute à partir de 90-100 km. Elle constitue avec l'exosphère (couche suivante) "l'hétérosphère" où la composition de l'air n'est plus uniforme. La limite de la thermosphère avec l'exosphère dépend de l'activité solaire, elle est donc très variable. De 100 à 150 km d'altitude, l'oxygène moléculaire absorbe l'ultra-violetde très courte longueur d'onde. En résulte donc une augmentation de T°C oscillant entre 300°C et 1600°C !!! (selon l'activité solaire). La température y est très élevée mais la densité de matière extrêmement faible. Le constituant principal de la thermosphère est l'oxygène atomique (O) issu de la disloquation des molécules d'oxygène (O2). La couche suivante est l'exosphère séparée de la thermosphère via la thermopause. 44 Exosphère: Couche venant clore la ceinture gazeuse terrestre. Définie comme la région où les collisions entre particules sont rares, considérées comme négligeables. Sa base (exobase) se situe entre 350 et 800 km suivant la température à la thermopause, qui est liée à l'activité solaire ( rappelons le). L'hélium et l'oxygène y sont les éléments prépondérants. L'exosphère s'étend jusqu'à la limite extrème de l'atmosphère, soit 50 000 km. On ne trouve plus là que quelques atomes d'hydrogène. C'est dans cette zone que la plupart des satellites sont placés en orbite. 45 II. la terre II.1. composition de la terre Investigations directes 1. Exploration humaine : la spéléologie (étude de étendus de terrains sédimentaires 2. Les forages profonds (9800m an Allemagne et 13km en Russie pour connaitre la lithosphére et la zone de transition entre celle-ci et le manteau sup : le Moho 3. L’étude des météorites Investigation indirectes (géophysique) 1. La tomographie sismique 2. L’étude du magnétisme 46  II.2 Histoire de la composition de la terre  L’analyse de la composition des roches terrestres et météoritiques, ainsi que la mesure de la densité moyenne du globe (5,5) influent sur plusieurs modèles où une fine croûte légère de silicates recouvre un noyau métallique volumineux plus dense. Enfin, l’analyse des données sismologiques qui s’avéreront de plus en plus précises, vont permettre d’établir le modèle actuel d'un noyau en partie liquide mais abritant une « graine » qui reste solide et qui grossit très lentement par solidification du noyau liquide.« A la limite noyau-graine, à 5 150 km de profondeur et 3,3 millions d’atmosphères de pression », la température est probablement à peu près celle qui est nécessaire à la fusion du fer à 330 Gigapascals (GPa). Plusieurs équipes de chercheurs ont tenté de calculer cette température, mais avec des résultats divergents 47  Au XXIe siècle, la chaleur interne de la Terre (à partir de 2 900 km de profondeur, là où la pression commence à dépasser 1 million d’atmosphères, soit 100 Gigapascals), intrigue toujours les chercheurs, car elle joue au moins deux rôles majeurs, d'une part en entretenant ou modifiant les mouvements convectifs du manteau, qui explique la tectonique des plaques et la dérive des continents, et d'autre part en entretenant le champ magnétique terrestre. Finalement, des résultats convergents et expliquant les écarts antérieurs ont été publiés en 2013, selon lesquels la température du noyau évoluerait de 3 800 °C à5 500 °C selon la profondeur. 48  III. Structure de la terre  La partie superficielle du globe terrestre accessible par forages ou puits, est appelée croûte. 71% de la surface du globe est recouverte par les océans : planète "océane" et 29% de terres émergées. La croûte est constituée d'une croûte continentale et d'une croûteocéanique.  L'étude de la propagation des ondes sismiques (naturelles ou provoquées) fournit des renseignements intéressants sur l'épaisseur de la couche la plus externe du globe ainsi que ces parties les plus profondes. 49 Structure de la terre Toutes les stations d’observations sismologiques à la surface du globe enregistrent le même type de courbe. Ce qui implique le globe est composé d’enveloppes concentriques, dont les principales sont la croûte terrestre, le manteau et le noyau. Cette représentation est très simplifiée puisque ces enveloppes peuvent être elles- mêmes décomposées. 50 La sismologie  La sismologie est la science des tremblements naturels de terre (séismes) ou tremblements provoqués. Un séisme est un mouvement bref du sol (quelques secondes à quelques mn), dû à l'arrivée d'ondes élastiques transmises dans le globe à partir d'un point appelé foyer, ou source, ou hypocentre. L'épicentre est un point de la surface du globe à verticale du foyer. 51  Du vocabulaire pour commencer : * Séisme : rupture brutale de roches en profondeur soumises à des tensions qui s’accumulent pendant des années ou des siècles ; * Foyer : lieu du séisme où se produit la rupture ; * Epicentre : zone située à la surface du globe à la verticale du foyer ; * Sismographe : appareil permettant d’enregistrer des ondes sismiques ; * Sismogramme : courbe dessinée par le sismographe ; 52  Principe de la sismologie Dès que la vitesse d'une onde sismique change brutalement et de façon importante, c'est qu'il y a changement de milieu, donc de couche. Cette méthode a permis, par exemple, de déterminer l'état de la matière à des profondeurs que l'homme ne peut atteindre (manteau profond, noyau). Ces couches sont délimitées par des discontinuités, comme la Discontinuité de Mohorovic, celle de Gutenberg, nommée d'après le sismologue Beno Gutenberg, ou bien celle de Lehmann. 53 Les causes des séismes  - Explosions et vibrations de toutes natures produites par l'homme (lacs artificiels, explosions...) ► séisme artificiel.  - Formation ou rejeu d'une faille ► séisme tectonique.  - Déplacement de magma ► séisme volcanique.  - Eboulement de cavité ► séisme d'effondrement.  - Conséquences de travaux Tels que le remplissage des barrages ► séisme induit 54 échelle de Richter Afin d'estimer la puissance des séismes, le sismologue Richter introduisît la notion de magnitude. Elle correspond à l'énergie libérée au foyer du séisme et dépend de la longueur de la faille activée et de l'importance du déplacement. Echelle de Richter Effets du tremblement Magnitude de terre Le séisme est non < 3,5 ressenti, mais enregistré par les sismographes Il est souvent ressenti, 3,5 - 5,4 mais sans dommage Légers dommages aux bâtiments bien construits, mais peut 5,4 - 6 causer des dommages majeurs à d'autres bâtisses Peut être destructeur 6,1 - 6,9 dans une zone de 100 km à la ronde Tremblement de terre majeur. Il peut causer de 7 - 7,9 sérieux dommages sur une large surface C'est un très fort séisme pouvant causer de très >8 grands dommages dans des zones de plusieurs 55 centaines de kilomètres Appareils de mesure L'aspect d'un enregistrement sismique (sismogramme) dépend de la source (nature du séisme, profondeur du foyer), de la distance épicentrale (distance épicentre - station), des milieux traversés, de la station (nature du sous-sol de la station, caractéristiques des instruments). 56 Les ondes de volumes elles se propagent à l'intérieur du globe suivant des lois proches de celles de l'optique géométrique. On distingue : les ondes Premières (P) : les plus rapides, elles se propagent dans tous les milieux. Ce sont des ondes de compressions déplaçant les particules parallèlement à la direction de la propagation de l'onde. les ondes Secondes (S) : quelques minutes plus tard, après les ondes P arrivent les ondes S beaucoup plus amples. Elles se propagent dans les solides et non dans les liquides. Ce sont des ondes de cisaillement déplaçant les particules perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde. 57 58 Les ondes de surface (ondes Longue) L Lorsque les ondes de volume se réfléchissent sur des surfaces de discontinuités (et notamment sur la surface du globe), elles interfèrent et génèrent des ondes de surface (ondes longues = L), canalisées le long de la surface où elles concentrent le maximum d'énergie.-se propagent à la manière de grandes vagues faisant onduler non pas la mer (raz de marée) mais aussi de la croûte terrestre. Ce sont elles qui font écrouler des villes entières lors des grands séismes. 59 propagation des ondes sismiques  Lorsqu'une onde P ou une onde S rencontrent une discontinuité (un changement de milieu), elles peuvent donner naissance à quatre ondes : deux ondes P - une réfléchie et une réfractée - et deux ondes S - une réfléchie et une réfractée -. Cependant comme la plus grande partie de l'énergie transportée par l'onde incidente (celle qui arrive) est transmise aux ondes - réfléchie et réfractée - du même type, il y a parfois disparition d'une ou deux des ondes résultantes. Néanmoins, ceci montre la complexité de l'étude d'un sismographe qui a enregistré toutes ces ondes. Et ceci montre aussi la quantité d'information disponible grâce à ces ondes sismiques. 60 Lorsqu’un rai sismique rencontre une discontinuité entre deux milieux, il subit une réflexion et une réfraction conformément à la figure ci-dessus, selon les lois de Snell-Descartes 61  Sous la surface de la Terre, le milieu de propagation des ondes n'est pas homogène : sa densité augmente. Ceci explique le déplacement des ondes car à chaque changement de milieu, il y une petite modification de la trajectoire des ondes selon les lois de Descartes.  l'angle de réflexion (r1) que dessine l'onde réfléchie par rapport à une " verticale " est égal à l'angle d'incidence (i1) que dessine l'onde d'arrivée par rapport à cette même " verticale ", i1 = r1  l'angle de réfraction (i2) que dessine l'onde réfractée par rapport à une " verticale " n'est pas égal à l'angle d'incidence (i1) que dessine l'onde d'arrivée par rapport à cette même " verticale ", il suit la loi :  i1=r1  Sin(i1)/V1=sin(i2)/V2 62 L’augmentation brutale des vitesses Vp et Vs à certaines profondeurs, (ainsi que leurs chutes à certains niveaux) veut dire que les ondes P et les ondes S sont passées d’un milieu à un autre de caractéristiques physiques très différentes et qu’elles ont traversé des limites = surfaces de discontinuité à l’intérieur de la Terre. 63  La Vp est de 5,6 Km/s dans la croûte continentale et de 6,5 Km/s dans la croûte océanique. Puis apparaît une discontinuité plus marquée (la Vp augmente jusqu'à 8 Km/s) à une profondeur variable : 5-8 Km sous les océans et 30-80 Km sous les continents; c'est la discontinuité de MOHO ( du nom de l'auteur qui a mis en évidence la discontinuité lors du séisme de Croatie en 1909). 64 Deux catégories de subdivisions sont parallèlement utilisées pour identifier l’intérieur du globe: - Sur la base des discontinuités majeures des vitesses des ondes sismiques; - Sur la variations de la densité des couches traversés. 65 66 Sur la base des discontinuités majeures des vitesses des ondes sismiques;  Sur la base des discontinuités majeures mises en évidence par la variation brusque de la vitesse des ondes sismiques du globe terrestre permet de distinguer de l’extérieur vers l’intérieur : ❑ La croûte continentale et la croûte océanique se distinguent par leur épaisseur. Elles diffèrent aussi par la nature des roches qui les constituent : la croûte océanique est essentiellement formée de basaltes et de gabbros alors que la croûte continentale est surtout granitique. Cette différence de nature chimique entraîne une variation de leur densité et donc de la propagation des ondes sismiques qui les traversent. 67  Le manteau : il représente 82,5 % en volume de la Terre. Son épaisseur est de 2900 km. Il est limité à la base par la discontinuité majeure de Gutenberg. On peut distinguer au sein de ce manteau 2 unités : − le manteau supérieur qui s’etend jusqu'à 670 km. − le manteau inférieur dont la profondeur est comprise entre 670 km et 2900 km. Le Noyau : il représente 16% du globe terrestre. Le noyau a une épaisseur maximale de 3300 km. Il comprend : − le noyaux externe, dont la profondeur est comprise entre 2900 km et 5150 km. − le noyau interne (ou Graine). dont la profondeur est comprise entre 5150 km et 6370 km. 68 Sur la base du comportement physique des couches : Lorsqu’on tient compte du comportement physique des matériaux, selon qu’ils se comportent comme des matériaux rigides ou comme des matériaux «mous», on distingue : La lithosphère qui est bloc rigide et qui comprend la croûte et la partie sommitale rigide du manteau supérieur. Son épaisseur varie entre 5 km sous les océans et 100 km au niveau des continents. Sa limite inférieur est marquée par une discontinuité des ondes sismique dite LVZ (Low Velocity Zone). La densité de la lithosphèrese répartitde la façon suivante :  − d =2,7 g/cm3 pour la partiesupérieurde la croûtecontinentale,  − d = 3 g/cm3pour la partie inférieurde la croûtecontinentale,  − d = 3,2 g/cm3 pour la croûteocéanique,  − d = 3,4 g/cm3au niveau du manteau supérieurrigide. 69  L'asthénosphère (du grec asthenos, sans résistance) est la partie ductile du manteau supérieur terrestre. Elle repose sous la lithosphère rigide et sur la mésosphère (manteau inférieur). La densité moyenne des roches augmente avec la profondeur pour passer de 3,4 au niveau de la lithosphère à 5 au niveau de l’asthénosphère. 70  Récapitulation  Toutes les stations d’observations à la surface du globe enregistrent le même type de courbe.  On peut donc penser que le globe est composé d’enveloppes concentriques. On peut remarquer trois « cassures » nettes dans les courbes : - au tout début de la courbe (entre 10 et 70 km de profondeur) augmentation très rapide de la vitesse, - à 2 900 km de profondeur, grande chute de la vitesse, - à 5 400 km, augmentation brutale.  Ces cassures mettent en évidence 3 discontinuités dans la constitution de la terre : - Le Moho entre 10 et 70 km de profondeur, - la discontinuité de Gutenberg à 2900 km, - la discontinuité de Lehman à 5400 km.  Ces 3 discontinuités délimitent 4 enveloppes concentriques constituant le globe : - la croûte, - la manteau, - le noyau, - la graine. 71  Sur la base de la composition chimique  La croûte Les constituants principaux de la croûte sont la silice SiO2 (50 à 60% en moyenne) et d’Alumine (Al2O3) (15 à 16% en moyenne). Pour cela on désigne la croûte sous le nom de SIAL. Parmi les autres constituants - qu’on a déterminé sous forme d’oxydes - lesquels sont en beaucoup plus faible pourcentage; on peut citer principalement CaO, MgO, FeO 72  Le manteau Le manteau a moins de silice (40% seulement de sa composition) que dans la croûte; il est donc très "basique". Il contient une forte proportion de magnésium; d’où l’attribution du nom SIMAau manteau. Sa partie supérieure est constituée de péridotites et sa partie inférieure a, probablement, la même composition que le manteau supérieur mais les atomes sont assemblés selon des structures plus denses (plus compactes) du fait de l’augmentation de la pression. 73  Le noyau Le noyau interne serait constitué d’élément sidérophiles : beaucoup de fer, nickel, cobalt, or, platine, etc…; Le noyau externe ("liquide") serait constitué d’une forte proportion de fer associé à des éléments légèrs tels que l’oxygène, le soufre; et un peu de silice. 74 MODELE THERMIQUE DE LA TERRE  La température croit avec la profondeur. On parle de gradient géothérmique qui est égal en moyenne à 10°C/ km dans les zones stables de la croûte continentale et à 30°C/ km dans les zones de déformation. Si le gradient était constant en profondeur on aboutirait à une température très élevées, incompatible avec son état solide de la graine. Le transport de la chaleur de l’intérieur vers l’extérieur est un processus complexe qui s’effectue principalement par conduction dans les couches limites thermiques (lithosphère, limite noyau- manteau) et par convection à l’échelle des temps géologiques dans les couches capables de se déformer par fluage (manteau, noyau). 75 76 77