Fiche de révision : Structure interne de la Terre

📋 Plan du Cours

1. Croûte terrestre : définition et types
2. Comparaison croûte continentale et océanique
3. Mise en évidence de la structure superficielle
4. Ondes sismiques P, S et L pour sonder la Terre
5. Moho : limite croûte manteau chimique
6. LVZ et limite lithosphère asthénosphère physique
7. Structure profonde : manteau supérieur et inférieur
8. Discontinuité de Gutenberg noyau et zone d’ombre
9. Discontinuité de Lehmann noyau externe et interne
10. Géotherme et gradient géothermique
11. Origine et dissipation de la chaleur interne
12. Conduction et convection dans les enveloppes

📖 1. Croûte terrestre : définition et types

🔑 Notions clés & Définitions

• Croûte terrestre : Enveloppe la plus superficielle de la Terre interne, constituée de roches solides.
• Croûte continentale : Type de croûte terrestre plus épaisse, associée à des roches riches en éléments légers et pauvres en fer.
• Croûte océanique : Type de croûte terrestre plus mince, associée à des roches plus riches en fer et plus denses.
• Densité de la croûte : Propriété qui varie selon le type de croûte et influence l’altitude moyenne des régions.

📝 Points essentiels

• La croûte terrestre est la partie solide la plus superficielle de la Terre interne.
• Épaisseur de la croûte continentale : 30 km.
• Épaisseur de la croûte océanique : 10 km.
• Densité : 2,7 pour la croûte continentale et 2,9 pour la croûte océanique.
• Roches principales : croûte continentale liée aux roches magmatiques plutoniques (granite, gneiss) et croûte océanique liée aux gabbros et basaltes.
• Les différences d’épaisseur et de densité expliquent que les altitudes moyennes des continents et des océans ne soient pas identiques.

💡 Astuce mémo

CC = 30 km et 2,7 (plus épais et moins dense) ; CO = 10 km et 2,9 (plus mince et plus dense).

📖 2. Comparaison croûte continentale et océanique

🔑 Notions clés & Définitions

• Quartz : Minéral associé aux roches de la croûte continentale, notamment via la silice (SiO2).
• Feldspaths : Famille de minéraux citée pour les roches principales des deux types de croûte.
• Pyroxène : Minéral cité pour les roches principales de la croûte océanique.
• Gabbros : Roches principales associées à la croûte océanique.
• Granites : Roches principales associées à la croûte continentale.

📝 Points essentiels

• La croûte continentale est décrite comme riche en silice (Si, O) et en aluminium, et pauvre en fer.
• La croûte océanique est décrite comme riche en fer et relativement pauvre en silice et en éléments légers.
• La croûte continentale est associée à des roches magmatiques plutoniques, tandis que la croûte océanique est associée à gabbros (et basaltes).
• La définition géographique d’« océan/continent » ne correspond pas à la définition géologique basée sur CO/CC.
• Une partie des croûtes continentales peut être sous le niveau de la mer : c’est le plateau continental.
• Les origines des magmas diffèrent entre CC et CO, ce qui renvoie à des événements géologiques différents.

💡 Astuce mémo

CC = SiO2 + Al (léger) ; CO = Fe (dense) et moins de silice.

📖 3. Mise en évidence de la structure superficielle

🔑 Notions clés & Définitions

• Forage de la péninsule Kola : Forage cité comme exemple d’observation directe atteignant une profondeur maximale dans la croûte continentale.
• Faille VEMA : Exemple de faille transformante utilisé pour observer la croûte océanique en affleurement.
• Moho : Limite entre la croûte et le manteau, mise en évidence par l’étude des ondes et associée à un changement de milieu.
• Ondes sismiques P : Ondes sismiques qui se propagent dans tous les milieux.
• Ondes sismiques S : Ondes sismiques qui ne se propagent que dans les solides.

📝 Points essentiels

• Observation directe en croûte continentale : forage max de 12 km (péninsule Kola).
• Observation directe en croûte océanique : affleurements au niveau de failles transformantes (ex : faille VEMA).
• La structure superficielle étudiée concerne jusqu’à environ 200 km de profondeur.
• Observation indirecte : l’étude des ondes sismiques (séismes, camion vibreur, explosifs) permet de sonder l’intérieur.
• Trois types d’ondes sont distingués : P (tous milieux), S (solides), L (surface seulement).
• Pour connaître la Terre en profondeur, on utilise surtout les ondes P et S, les ondes P étant particulièrement utiles (sauf pour le noyau externe).

💡 Astuce mémo

P = partout ; S = solides ; L = surface.

📖 4. Ondes sismiques P, S et L pour sonder la Terre

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde P : Onde sismique première qui se propage dans tous les milieux.
• Onde S : Onde sismique qui se propage uniquement dans les solides.
• Onde L : Onde sismique longue qui se propage en surface seulement.
• Ondes coniques : Type d’ondes réfractées utilisé pour connaître les vitesses des ondes dans les roches.

📝 Points essentiels

• Les ondes P sont les premières à arriver et se propagent dans tous les milieux.
• Les ondes S arrivent ensuite et ne se propagent pas dans les liquides, car elles nécessitent un milieu solide.
• Les ondes L sont les dernières et se propagent en surface seulement.
• La vitesse des ondes dépend des matériaux traversés, car elle varie avec la densité.
• La réflexion des ondes met en évidence des limites (discontinuités) correspondant à un changement de milieu.
• Les vitesses sont connues grâce à l’étude des ondes coniques et sont ensuite confrontées à des forages superficiels.

💡 Astuce mémo

Ordre d’arrivée : P puis S puis L ; et propagation : P partout, S solides, L surface.

📖 5. Moho : limite croûte manteau chimique

🔑 Notions clés & Définitions

• Moho : Limite entre la croûte et le manteau, associée à un changement chimique mis en évidence par les ondes.
• Discontinuité du Moho : Frontière où la vitesse des ondes P augmente fortement, traduisant un changement de densité et de composition.
• Péridotites : Roches du manteau citées comme riches en Mg et Fe, associées à l’olivine.
• Olivevine : Cristal de formule (Fe, Mg)2SiO4 cité comme marqueur de la péridotite.

📝 Points essentiels

• Le Moho est une limite chimique découverte en 1909.
• Au Moho, la vitesse des ondes P augmente car la densité passe de 2,9 (CO/gabbro) ou 2,7 (CC/granite) à 3,3 (manteau/péridotites).
• Le changement de densité s’explique par une différence chimique entre croûte et manteau.
• Le manteau est décrit comme constitué de péridotites plus riches en Mg et Fe que les roches de croûte.
• L’olivine est citée comme cristal caractéristique de la péridotite, de formule (Fe, Mg)2SiO4.
• Le Moho correspond donc à une frontière chimique entre croûte et manteau.

💡 Astuce mémo

Moho = 2,7/2,9 → 3,3 (chimie change) ; découverte 1909.

📖 6. LVZ et limite lithosphère asthénosphère physique

🔑 Notions clés & Définitions

• LVZ : Zone de moindre vitesse dans le manteau où la vitesse des ondes diminue entre 100 et 150 km de profondeur.
• Limite lithosphère asthénosphère : Frontière physique séparant un manteau solide cassant d’un manteau solide déformable.
• Lithosphère : Ensemble rigide où les roches du manteau sont solides et cassantes.
• Asthénosphère : Ensemble où les roches du manteau sont solides mais déformables (ductiles).
• Manteau asthénosphérique : Partie du manteau associée à la LVZ, décrite comme ductile et liée à une densité plus faible.

📝 Points essentiels

• Entre 100 et 150 km de profondeur, la vitesse des ondes diminue : c’est la LVZ.
• Dans la LVZ, il n’y a pas de modification chimique, mais une modification de l’organisation des atomes.
• La tendance des atomes à s’éloigner diminue la densité et donc la vitesse des ondes.
• La densité dans la LVZ est donnée à 3,25, contre 3,3 pour le manteau lithosphérique au-dessus.
• La pression augmente avec la profondeur et rapproche les atomes, tandis que la température augmente et les éloigne.
• Au niveau de la LVZ, l’effet de la température domine la pression, rendant les roches ductiles et expliquant la séparation lithosphère/asthénosphère.

💡 Astuce mémo

LVZ = vitesse ↓ car densité ↓ (3,3 → 3,25) ; température domine.

📖 7. Structure profonde : manteau supérieur et inférieur

🔑 Notions clés & Définitions

• Manteau supérieur : Zone du manteau située entre le Moho (≈ -10 ou -30 km) et 700 km de profondeur.
• Manteau inférieur : Zone du manteau située entre 700 et 2900 km de profondeur.
• Olivevine : Cristal de référence cité pour expliquer les transformations sous l’effet de la pression dans le manteau.
• Cellule à enclume de diamant : Dispositif de laboratoire utilisé pour reproduire des pressions et températures proches de celles des profondeurs.

📝 Points essentiels

• Le manteau supérieur s’étend du Moho jusqu’à -700 km.
• Dans le manteau supérieur, la vitesse des ondes augmente progressivement avec la profondeur.
• Cette augmentation est expliquée par l’augmentation de densité sans changement de composition chimique.
• Sous l’effet de la pression, les atomes se rapprochent et l’olivine change de maille à plusieurs reprises.
• La limite manteau supérieur/manteau inférieur est vers -700 km et se traduit par une accélération de la vitesse des ondes.
• Dans le manteau inférieur, la composition chimique ne change pas mais la composition en cristaux change, formant des cristaux plus denses que l’olivine.

💡 Astuce mémo

700 km : la vitesse passe d’une hausse progressive à une hausse plus marquée (changement de cristaux).

📖 8. Discontinuité de Gutenberg noyau et zone d’ombre

🔑 Notions clés & Définitions

• Discontinuité de Gutenberg : Limite entre le manteau et le noyau mise en évidence par l’étude des ondes sismiques.
• Zone d’ombre : Région où les stations ne reçoivent pas les ondes P et S après un séisme.
• Noyau : Milieu central de la Terre, différent du manteau, mis en évidence par la zone d’ombre.
• Noyau externe : Partie du noyau décrite comme liquide dans la synthèse de structure.
• Noyau interne : Partie du noyau décrite comme solide dans la synthèse de structure.

📝 Points essentiels

• La discontinuité de Gutenberg est située à 2900 km.
• 1906 : Gutenberg met en évidence l’existence du noyau.
• Une zone d’ombre existe entre 105 et 143° par rapport aux séismes, où P et S ne sont pas reçues.
• L’existence de la zone d’ombre s’explique par une double réfraction des ondes P.
• La zone d’ombre implique un milieu différent du manteau au centre de la Terre.
• Le noyau est décrit comme composé de fer (90%) et de nickel (10%).

💡 Astuce mémo

Gutenberg = 2900 km ; zone d’ombre 105–143° ; P doublement réfractée.

📖 9. Discontinuité de Lehmann noyau externe et interne

🔑 Notions clés & Définitions

• Discontinuité de Lehmann : Limite entre noyau externe et noyau interne mise en évidence par la présence d’ondes P dans certaines zones d’ombre.
• Inge Lehmann : Scientifique danoise à l’origine de l’interprétation d’ondes P supplémentaires liées au noyau interne.
• Noyau externe liquide : Partie du noyau où les ondes S ne se propagent pas, car le milieu est liquide.
• Noyau interne solide : Partie centrale du noyau où les ondes S peuvent se propager, car le milieu est solide.

📝 Points essentiels

• Inge Lehmann observe que, dans certaines zones d’ombre, des ondes P sont parfois présentes.
• Elle en déduit que ces ondes P ne proviennent pas seulement d’une double réfraction, mais aussi d’une réflexion sur une couche interne.
• Cette couche interne correspond au noyau interne (la graine).
• La discontinuité de Lehmann est située à 5100 km.
• La limite noyau externe/noyau interne est une limite physique liée à un changement d’état de la matière.
• Le noyau externe est liquide et le noyau interne est solide, ce qui explique la circulation des ondes S.

💡 Astuce mémo

Lehmann = 5100 km ; P parfois réapparaît car réflexion sur le noyau interne.

📖 10. Géotherme et gradient géothermique

🔑 Notions clés & Définitions

• Géotherme : Variation de la température avec la profondeur, décrite comme croissante jusqu’au centre de la Terre.
• Gradient géothermique : Différence de température entre deux profondeurs du globe.
• Flux de chaleur : Transfert de chaleur de l’intérieur vers la surface, rendu possible par le fait que l’espace autour de la Terre est plus froid.
• Réactions nucléaires dans le manteau : Source principale de chaleur interne citée pour expliquer l’augmentation de température en profondeur.

📝 Points essentiels

• Le géotherme correspond à l’augmentation de la température avec la profondeur jusqu’à atteindre 5000 °C au centre de la Terre.
• Le gradient géothermique correspond à la différence de températures entre deux profondeurs.
• La chaleur interne provient principalement de réactions nucléaires dans le manteau.
• Le flux de chaleur va de l’intérieur vers la surface car l’espace autour de la Terre est plus froid.
• Le cours relie l’évolution du géotherme à la nature des enveloppes (conduction vs convection).
• Les valeurs de gradient varient fortement selon lithosphère, asthénosphère/manteau inférieur et noyaux.

💡 Astuce mémo

Géotherme = T augmente avec z ; gradient = ΔT entre deux profondeurs.

📖 11. Origine et dissipation de la chaleur interne

🔑 Notions clés & Définitions

• Conduction : Mode de transfert thermique par contact, moins efficace dans la lithosphère selon le cours.
• Convection : Mode de transfert thermique par déplacement de matière, plus efficace pour dissiper la chaleur interne.
• Transmission par conduction : Transfert de chaleur sans déplacement global de matière, décrit comme inefficace dans les roches de la lithosphère.
• Transmission par convection : Transfert de chaleur par déplacement de matière solide déformable, décrit comme efficace dans l’asthénosphère et le noyau externe.

📝 Points essentiels

• La dissipation de chaleur interne se fait vers la surface via un flux dirigé de l’intérieur vers l’extérieur.
• Dans la lithosphère, le géotherme augmente brutalement car la conduction y est peu efficace.
• Le cours associe la faible conduction à la nature des roches de la lithosphère comme mauvais conducteurs de chaleur.
• Dans l’asthénosphère et le manteau inférieur, le géotherme augmente faiblement car la convection est efficace.
• Dans le noyau externe, le géotherme augmente aussi faiblement grâce à une convection efficace.
• La convection est présentée comme beaucoup plus efficace que la conduction pour dissiper la chaleur interne, même si les déplacements sont très lents (quelques cm/an).

💡 Astuce mémo

Lithosphère : conduction faible → T monte vite ; Asthénosphère/noyau : convection efficace → T monte lentement.

📖 12. Conduction et convection dans les enveloppes

🔑 Notions clés & Définitions

• Lithosphère solide : Enveloppe où les roches sont solides et où la conduction domine le transfert thermique selon le cours.
• Asthénosphère et manteau inférieur solides : Enveloppe où les roches sont solides mais déformables, favorisant la convection.
• Noyau externe liquide : Enveloppe où le transfert thermique est associé à une convection efficace.
• Noyau interne solide : Enveloppe où le gradient géothermique est le plus faible selon les valeurs données.

📝 Points essentiels

• Dans la lithosphère, le gradient géothermique est donné entre 10 et 30 °C/km.
• Dans l’asthénosphère et le manteau inférieur, le gradient est donné entre 0,3 et 0,5 °C/km.
• Dans le noyau externe liquide, le gradient est aussi donné entre 0,3 et 0,5 °C/km.
• Dans le noyau interne solide, le gradient est inférieur à 0,3 °C/km.
• Le cours relie la conduction à une transmission mal assurée dans la lithosphère car les roches conduisent mal la chaleur.
• Le cours relie la convection à une dissipation efficace car les déplacements transportent la chaleur vers la surface.

💡 Astuce mémo

Gradients : lithosphère 10–30 ; asthénosphère/manteau inférieur/noyau externe 0,3–0,5 ; noyau interne <0,3.

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison croûte continentale et croûte océanique

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre géographie et géologie : en géologie, « océans/continents » renvoient à CO/CC, pas seulement à zones immergées/émergées.
2. Croire que la LVZ correspond à un changement chimique : le cours précise qu’il n’y a pas de modification de composition chimique.
3. Inverser les états : le noyau externe est liquide (pas de propagation des ondes S) et le noyau interne est solide (ondes S y circulent).
4. Mélanger Moho et LVZ : Moho est une limite chimique croûte–manteau, tandis que la LVZ correspond à une limite physique lithosphère–asthénosphère.
5. Oublier l’ordre et la propagation des ondes : P partout, S seulement dans les solides, L en surface seulement.

✅ Checklist Examen

1. Définir la croûte terrestre et distinguer croûte continentale et croûte océanique avec épaisseur et densité.
2. Donner les différences de composition (silice/Al vs fer) et relier chaque type de croûte à des roches citées (granite/gneiss vs gabbros/basaltes).
3. Expliquer comment on met en évidence la structure superficielle : observation directe (Kola, failles transformantes) et observation indirecte (ondes sismiques).
4. Classer les ondes P, S et L et préciser leurs milieux de propagation.
5. Expliquer comment la vitesse et la réflexion des ondes permettent d’identifier des limites/discontinuités.
6. Décrire le Moho : limite chimique, découverte en 1909, et les densités 2,7/2,9 vers 3,3.
7. Décrire la LVZ : profondeur 100–150 km, baisse de vitesse, densité 3,25 vs 3,3, et rôle dominant de la température.
8. Relier lithosphère/asthénosphère à l’état des roches : cassant vs ductile, et préciser la LVZ comme limite physique.
9. Donner les positions des manteaux : supérieur jusqu’à 700 km et inférieur jusqu’à 2900 km, avec l’idée de changement de cristaux à la limite.
10. Expliquer la discontinuité de Gutenberg : 2900 km, zone d’ombre 105–143°, double réfraction des ondes P et composition du noyau (Fe 90%, Ni 10%).
11. Expliquer la discontinuité de Lehmann : 5100 km, présence d’ondes P dans certaines zones d’ombre, réflexion sur le noyau interne et états liquide/solide.
12. Définir géotherme et gradient géothermique et donner les valeurs de gradient dans lithosphère, asthénosphère/manteau inférieur, noyau externe et noyau interne.
13. Comparer conduction et convection : associer conduction à lithosphère (gradient élevé) et convection à asthénosphère/manteau inférieur et noyau externe (gradient faible), avec l’idée de déplacements lents mais efficaces.