Fiche de révision : Structure interne de la Terre et ses discontinuités

📋 Plan du Cours

1. Structure interne de la Terre
2. Discontinuités majeures
3. Caractéristiques des ondes sismiques
4. Modèle sismique PREM
5. Lithosphère et asthénosphère
6. Zones de subduction
7. Transfert thermique interne
8. Gradient et flux géothermiques
9. Tomographie sismique et convection

📖 1. Structure interne de la Terre

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure interne de la Terre : Organisation concentrique de l’intérieur du globe, composée de plusieurs enveloppes distinctes délimitées par des discontinuités majeures, dont la connaissance repose principalement sur l’étude sismique (modèle PREM).

• Croûte : Première couche solide de la Terre, elle peut être continentale ou océanique. La croûte continentale est solide, cassante, composée de roches comme le granite, et peut atteindre 70 km de profondeur sous les montagnes. La croûte océanique est plus fine, en moyenne 5-7 km.

• Manteau : Enveloppe située sous la croûte, composée de roches appelées péridotites. Sa structure varie avec la profondeur : roche à structure grenue riche en olivine et pyroxène, densité supérieure à celle de la croûte (d = 3,2 à 3,4). Il comprend un manteau supérieur (jusqu’à 700 km) et un manteau inférieur (jusqu’à 2900 km).

• Noyau : Partie centrale de la Terre, principalement métallique (fer 80%, nickel 20%). Divisé en noyau externe liquide (de –2900 km à –5100 km) et noyau interne solide (de –5100 km jusqu’au centre, environ –6370 km). La discontinuité de Lehman sépare noyau externe et interne, la discontinuité de Gutenberg sépare le manteau du noyau.

• Discontinuités internes majeures : Limites entre couches distinctes, caractérisées par des changements brusques dans la vitesse des ondes sismiques, notamment :

  • Moho : limite entre la croûte et le manteau, à environ 30 km de profondeur.
  • Discontinuité de Gutenberg : limite entre le manteau et le noyau, à environ 2980 km.
  • Discontinuité de Lehman : limite entre le noyau externe liquide et le noyau interne solide, à environ 5100 km.

• Modèle sismique PREM : Modèle de référence basé sur l’étude des ondes sismiques, décrivant la vitesse des ondes en fonction de la profondeur, révélant une structure concentrique de la Terre avec couches différenciées.

📝 Points essentiels

• La structure interne de la Terre est connue indirectement, principalement par l’étude des ondes sismiques, car l’intérieur est inaccessible directement.
• La Terre est organisée en enveloppes concentriques : la croûte, le manteau, et le noyau, délimitées par des discontinuités majeures.
• La croûte continentale et océanique diffèrent par leur composition, épaisseur et densité, influençant la topographie terrestre.
• Le manteau, constitué de péridotites, présente une structure variable selon la profondeur, avec une densité croissante.
• Le noyau, en grande partie métallique, est divisé en noyau externe liquide et noyau interne solide, la discontinuité de Lehman séparant ces deux zones.
• La discontinuité de Gutenberg marque la transition entre le manteau et le noyau, détectée par l’absence d’ondes S.
• Le modèle PREM synthétise ces données en décrivant la variation de la vitesse des ondes selon la profondeur, illustrant la structure concentrique.

💡 À retenir

La structure interne de la Terre est une organisation concentrique composée de la croûte, du manteau et du noyau, délimitée par des discontinuités majeures, et principalement connue grâce à l’étude sismique via le modèle PREM.

📖 2. Discontinuités majeures

🔑 Notions clés & Définitions

• Discontinuité de Gutenberg : Gutenberg (1912) : limite située à environ 2980 km de profondeur, séparant le manteau du noyau. Elle est caractérisée par la disparition des ondes S, indiquant que cette couche est liquide. Elle marque la transition entre la partie solide du manteau et le noyau externe liquide.

• Discontinuité de Lehman : Lehman (1960) : limite située à environ 5100 km de profondeur, séparant le noyau externe liquide du noyau interne solide. Elle est identifiée par la disparition des ondes P dans une zone d’ombre spécifique, témoignant du passage d’un milieu liquide à un milieu solide.

• Discontinuité du Moho : Moho (1909) : limite située à environ 30 km de profondeur sous les continents, séparant la croûte du manteau supérieur. Elle indique une différence de composition chimique entre la croûte et le manteau, et est caractérisée par un changement brusque dans la vitesse des ondes sismiques.

📝 Points essentiels

• Ces discontinuités sont des frontières virtuelles où la vitesse des ondes sismiques change brusquement, témoignant de différences de composition, d’état physique ou de densité des matériaux traversés.

• La discontinuité de Gutenberg marque la transition du manteau solide au noyau liquide, essentielle pour comprendre la structure interne de la Terre.

• La discontinuité de Lehman indique la présence d’un noyau interne solide, entouré d’un noyau externe liquide, ce qui explique la réfraction et l’absence d’ondes dans certaines zones d’ombre.

• La discontinuité du Moho, découverte en 1909, signale la différence entre la croûte et le manteau, et est la première limite interne majeure identifiée dans la structure terrestre.

💡 À retenir

Les discontinuités majeures sont des frontières virtuelles cruciales qui révèlent la stratification interne de la Terre, en séparant ses enveloppes aux propriétés physiques et chimiques distinctes.

📖 3. Caractéristiques des ondes sismiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Ondes P (Premières) : ondes longitudinales de compression-dilatation qui se déplacent dans les solides et les liquides. Elles sont les premières à être enregistrées lors d’un séisme (AUTEUR (date) : définition).
• Ondes S (Secondes) : ondes transversales de cisaillement qui ne se propagent qu’en milieu solide. Elles arrivent après les ondes P et ne traversent pas les liquides.
• Ondes de surface : ondes qui se propagent dans les couches superficielles du globe, comprenant les ondes Love (L) et Rayleigh (R). Elles ont une amplitude importante et sont responsables des dégâts en surface.
• Réfraction : déviation d’une onde sismique lorsqu’elle rencontre une discontinuité entre deux milieux de propriétés différentes, modifiant sa trajectoire et sa vitesse.
• Réflexion : retour d’une onde sismique dans le même milieu après avoir rencontré une discontinuité, sans traverser la limite.
• Discontinuités : limites virtuelles entre deux milieux de composition ou d’état physique différents, où la vitesse des ondes peut changer brusquement.
• Vitesse des ondes : dépend de la nature, de l’état physique (liquide, solide, ductile) et de la densité du matériau traversé. Elle augmente avec la profondeur, la densité et la rigidité.
• Trajectoire : ligne droite dans un milieu homogène, déviée lors de la réfraction ou de la réflexion à cause de discontinuités.
• Loi de Descartes : loi régissant la réfraction des ondes sismiques lors du passage entre deux milieux de propriétés différentes.

📝 Points essentiels

• Les ondes P se propagent dans tous les milieux, solides et liquides, tandis que les ondes S ne se déplacent que dans les solides.
• La vitesse des ondes dépend de la composition chimique, de la structure minéralogique, de l’état physique (liquide ou solide), de la température et de la pression.
• Lorsqu’une onde rencontre une discontinuité, elle peut être soit réfléchie, soit réfractée, selon l’angle d’incidence et la différence de propriétés des milieux.
• La propagation des ondes sismiques obéit aux lois de l’optique, notamment la loi de Descartes, pour la réfraction.
• La vitesse des ondes augmente avec la profondeur, ce qui permet d’établir un modèle de la structure interne de la Terre.
• La réfraction et la réflexion des ondes sismiques permettent de détecter et de caractériser les discontinuités internes, comme le Moho ou la discontinuité de Gutenberg.

💡 À retenir

Les ondes sismiques, en se déplaçant à travers la Terre, révèlent ses discontinuités et sa structure interne grâce à leurs caractéristiques de vitesse, de réfraction et de réflexion, essentielles pour modéliser le globe terrestre.

📖 4. Modèle sismique PREM

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle sismique PREM (Preliminary Reference Earth Model) : modèle de la structure interne de la Terre basé sur l’étude de la vitesse des ondes sismiques en fonction de la profondeur, permettant d’établir une représentation concentrique des différentes couches terrestres.

• Vitesse des ondes sismiques en fonction de la profondeur : relation selon laquelle la vitesse des ondes P et S varie avec la profondeur, dépendant de la nature, de la densité, de la rigidité et de l’état physique des matériaux traversés. La vitesse augmente généralement avec la profondeur, reflétant la densité et la rigidité croissantes.

• Structure concentrique de la Terre : organisation interne de la Terre en enveloppes superposées et concentriques, comprenant la croûte, le manteau, et le noyau, séparées par des discontinuités majeures, avec des propriétés physiques différentes selon la profondeur.

📝 Points essentiels

• Le modèle PREM est basé sur l’étude des ondes sismiques, notamment leur vitesse et leur trajectoire, pour déduire la structure interne de la Terre.

• La vitesse des ondes P et S dépend de la composition chimique, de la structure minéralogique, de l’état physique (solide ou liquide), de la température et de la pression, qui varient avec la profondeur.

• La Terre est constituée d’enveloppes internes concentriques : la croûte (continentale et océanique), le manteau (supérieur et inférieur), et le noyau (externe liquide et interne solide).

• La discontinuité de Moho sépare la croûte du manteau, la discontinuité de Gutenberg sépare le manteau du noyau, et la discontinuité de Lehman sépare le noyau externe du noyau interne.

• La vitesse des ondes augmente avec la profondeur, notamment dans le manteau et le noyau solide, tandis que dans le noyau externe liquide, les ondes S disparaissent, indiquant leur impossibilité de se propager dans un milieu liquide.

• La structure concentrique et les discontinuités majeures sont confirmées par l’étude des réflexions et réfractions des ondes sismiques, permettant d’établir le modèle PREM.

💡 À retenir

Le modèle sismique PREM, basé sur la variation de la vitesse des ondes sismiques avec la profondeur, révèle une Terre organisée en couches concentriques aux propriétés physiques distinctes, essentielles pour comprendre sa structure interne.

📖 5. Lithosphère et asthénosphère

🔑 Notions clés & Définitions

• Lithosphère : Enveloppe rigide de la Terre, composée de la croûte et de la partie supérieure du manteau (manteau lithosphérique). Elle se comporte de manière cassante et forme des plaques. Son épaisseur varie, généralement autour de 120 km, pouvant atteindre 200 km pour la croûte continentale et 5-7 km pour la croûte océanique (voir section 3.3). La limite de la lithosphère est une limite thermique délimitée par l’isotherme 1300°C.

• Asthénosphère : Zone située sous la lithosphère, comprise entre 100 et 670 km de profondeur, caractérisée par un comportement mécanique ductile. Elle présente une zone de moindre vitesse des ondes sismiques (LVZ) qui permet à la lithosphère de se déplacer. Elle est plus chaude et moins rigide que la lithosphère.

• Plan de Wadati-Benioff : Plan incliné d’épaisseur environ 100-120 km, situé dans la zone de subduction, où se concentrent les foyers sismiques. Il correspond au plongement d’une plaque océanique rigide et froide dans le manteau plus chaud, provoquant des séismes lors de sa fracture (voir section 3.3).

• Limite lithosphère-asthénosphère : Limite thermique séparant la lithosphère, solide et cassante, de l’asthénosphère, ductile. Elle correspond à l’isotherme 1300°C. La lithosphère repose sur l’asthénosphère, qui permet la mobilité des plaques lithosphériques.

📖 6. Zones de subduction

🔑 Notions clés & Définitions

Zone de subduction : Région où une plaque lithosphérique océanique rigide et froide plonge dans le manteau plus chaud et ductile, généralement sous une autre plaque (continentale ou océanique). Elle est caractérisée par une fosse océanique, un arc volcanique ou une chaîne de montagnes, un bassin d’arrière-arc, une sismicité fréquente et de forte magnitude, ainsi qu’un volcanisme explosif. La subduction résulte du plongement d’une plaque océanique sous une autre plaque, entraînant le recyclage de la croûte océanique dans le manteau. La plan de Wadati-Benioff correspond à ce plongement.

Fosse océanique : Dépression profonde située au niveau de la zone de subduction, correspondant à la zone où la plaque océanique s’enfonce dans le manteau. Elle marque la limite entre la plaque plongeante et la plaque sus-jacente.

Arc volcanique : Ensemble d’îles ou de montagnes volcaniques formées au-dessus de la zone de subduction, résultant du magma issu de la fusion partielle de la plaque plongeante. Il peut s’agir d’un arc insulaire ou continental.

Ceinture de feu : Zone de convergence et de subduction autour de l’océan Pacifique, caractérisée par une forte sismicité, un volcanisme actif et une activité tectonique intense. Elle correspond à une zone de zones de subduction multiples.

Plongement de plaques lithosphériques : Processus par lequel une plaque océanique rigide et froide s’enfonce dans le manteau sous une autre plaque, suivant un plan incliné (plan de Wadati-Benioff). Ce phénomène est à l’origine des zones de subduction.

📝 Points essentiels

• La subduction implique le plongement d’une plaque océanique sous une autre plaque, soit océanique, soit continentale.
• Le plan de Wadati-Benioff est une zone inclinée d’environ 100-120 km d’épaisseur où se concentrent les foyers sismiques profonds, correspondant à la plaque en plongement.
• La fosse océanique marque la limite entre la plaque plongeante et la plaque sus-jacente.
• La subduction entraîne la formation d’un arc volcanique, souvent explosif, au-dessus de la zone de plongement.
• La ceinture de feu est une zone majeure de subduction autour du Pacifique, avec une sismicité et un volcanisme très actifs.
• La subduction permet le recyclage de la croûte océanique dans le manteau, participant à la dynamique interne de la Terre.

💡 À retenir

Les zones de subduction sont des régions où une plaque océanique plonge dans le manteau, créant une activité sismique et volcanique intense, et jouant un rôle clé dans le cycle de la matière terrestre.

📖 7. Transfert thermique interne

🔑 Notions clés & Définitions

Transfert thermique interne : Mécanisme par lequel la chaleur circule à l’intérieur de la Terre, principalement par conduction et convection, permettant la dissipation de l’énergie thermique vers la surface.

Conduction : Mode de transfert de chaleur sans déplacement de matière, où l’échange thermique se fait de proche en proche à travers un matériau. La vitesse de transfert dépend de la conductivité thermique du matériau.

Convection : Mode de transfert de chaleur par déplacement de matière, où la chaleur est transportée par le mouvement de fluides ou de matériaux en circulation. Elle est associée à la formation de cellules de convection dans le manteau.

Flux géothermique : Quantité d’énergie thermique dissipée par unité de surface à la surface terrestre, résultant du transfert de chaleur interne. Il dépend du gradient géothermique et de la conductivité thermique des roches.

Gradient géothermique : Variation de température en fonction de la profondeur, généralement exprimée en °C/km, qui mesure l’élévation de température avec la profondeur dans la croûte ou le manteau.

📝 Points essentiels

• La température interne de la Terre augmente avec la profondeur, mais pas de façon continue, selon le mode de transfert thermique.
• La conduction est efficace dans la croûte, où le gradient géothermique peut atteindre 30°C/km, tandis que la convection est dominante dans le manteau, où le gradient est plus faible (environ 0,3°C/km).
• La conduction dépend de la conductivité thermique du matériau, tandis que la convection implique un déplacement de matière chaude vers la surface.
• La tomographie sismique a permis d’identifier des anomalies thermiques, notamment des zones chaudes (dorsales, points chauds) et froides (zones de subduction), illustrant la circulation de la chaleur par convection dans le manteau.
• Le flux géothermique moyen est d’environ 87 mW/m², représentant la dissipation de chaleur vers la surface.

💡 À retenir

Le transfert thermique interne de la Terre se fait principalement par conduction dans la croûte et par convection dans le manteau, ce qui explique la dynamique interne et la circulation de la chaleur vers la surface.

📖 8. Gradient et flux géothermiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Géotherme : Variations de températures en fonction de la profondeur et d’un contexte géologique (voir section 3).
• Gradient géothermique : Élévation de température en fonction d’une profondeur donnée, exprimée en °C/km. Par exemple, dans la croûte continentale, la température augmente de 3°C tous les 100 mètres.
• Flux géothermique : Énergie dissipée par la surface terrestre, mesurée en mW/m². Il dépend du gradient géothermique et de la conductivité thermique des roches. La valeur moyenne est d’environ 87 mW/m².
• Variations de température en fonction de la profondeur : La température augmente avec la profondeur selon le profil du géotherme, mais cette augmentation n’est pas uniforme dans toutes les couches terrestres.

📝 Points essentiels

• Le géotherme représente la variation de température selon la profondeur, influencée par le contexte géologique (ex. géotherme continental ou de subduction).
• Le gradient géothermique indique la pente de cette variation, généralement de 3°C tous les 100 mètres dans la croûte continentale.
• Le flux géothermique correspond à la dissipation de chaleur à la surface, dépendant du gradient géothermique et de la conductivité thermique des roches. La valeur moyenne est de 87 mW/m².
• La température interne de la Terre croît avec la profondeur, mais pas de façon continue, en raison des modes de transfert thermique (conduction et convection).
• La tomographie sismique permet d’observer des anomalies thermiques dans le manteau, avec des zones chaudes (dorsales, points chauds) et froides (zones de subduction), influençant la vitesse des ondes sismiques.

💡 À retenir

Le gradient et le flux géothermiques décrivent la manière dont la température varie avec la profondeur dans la Terre, reflétant les mécanismes de transfert thermique et la dynamique interne du globe.

📖 9. Tomographie sismique et convection

🔑 Notions clés & Définitions

Tomographie sismique : Méthode utilisant la propagation des ondes sismiques pour étudier la structure interne de la Terre. Elle repose sur l’analyse des anomalies de vitesse des ondes par rapport au modèle théorique, permettant de repérer des zones de variations thermiques ou compositionnelles à l’intérieur du globe (ex : anomalies de haute ou basse température).

Convection mantellique : Circulation de matière dans le manteau terrestre, caractérisée par des flux de matière circulaires. Elle est à l’origine de la dynamique lithosphérique, avec des remontées et descentes de matériaux chauds ou froids, détectées par tomographie sismique. Elle explique la formation de dorsales, points chauds, et zones de subduction.

Flux de matière circulaires : Mouvement de matière dans le manteau sous forme de cellules de convection, où la matière chaude s’élève et la matière froide descend. Ce processus permet le transfert d’énergie interne de la Terre vers la surface, influençant la dynamique tectonique et la géothermie.

📝 Points essentiels

• La tomographie sismique met en évidence des anomalies de vitesse des ondes sismiques, révélant des zones plus chaudes ou plus froides dans le manteau.
• Les anomalies de haute température, souvent associées aux dorsales et points chauds, indiquent des colonnes chaudes ascendantes, témoins de convection mantellique.
• Les anomalies de faible température, observées dans les zones de subduction, correspondent à des plaques froides plongeant dans le manteau.
• La convection mantellique est un mécanisme à l’origine de la dynamique lithosphérique, avec des flux de matière circulaires formant des cellules de convection.
• Ces flux de matière circulaires jouent un rôle clé dans le transfert de chaleur interne, la formation de reliefs et la tectonique des plaques.

💡 À retenir

La tomographie sismique permet d’observer les anomalies thermiques dans le manteau, révélant la circulation de matière sous forme de flux de convection mantellique, fondamentale pour la dynamique interne de la Terre.

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de Synthèse

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confondre discontinuité de Gutenberg et Lehman : la première sépare manteau et noyau, la seconde noyau interne et externe.
2. Croire que la discontinuité du Moho indique une frontière physique visible, alors qu’elle est virtuelle.
3. Confondre la composition de la croûte continentale et océanique, notamment en termes d’épaisseur et de densité.
4. Oublier que les ondes S ne traversent pas le liquide, ce qui explique leur absence au-delà de Gutenberg.
5. Confondre la vitesse des ondes dans le noyau externe et interne, qui diffère significativement.
6. Négliger que le modèle PREM est basé sur l’étude sismique, pas sur une observation directe.
7. Confondre réfraction et réflexion : la réfraction dévie la trajectoire, la réflexion renvoie l’onde dans le même milieu.

✅ Checklist Examen

1. Connaître la définition de la structure interne de la Terre selon le modèle concentrique.
2. Identifier les principales couches : croûte, manteau, noyau, et leurs épaisseurs.
3. Savoir ce que sont le Moho, la discontinuité de Gutenberg, et la discontinuité de Lehman, et leur localisation.
4. Comprendre la différence entre noyau interne solide et noyau externe liquide.
5. Expliquer comment les ondes P et S se propagent dans la Terre et ce qu’elles révèlent.
6. Connaître la nature du modèle PREM et son rôle dans la compréhension de la structure interne.
7. Identifier les caractéristiques des ondes de surface (Love, Rayleigh) et leur importance.
8. Maîtriser la loi de Descartes et son application à la réfraction des ondes sismiques.
9. Savoir comment les discontinuités majeures sont détectées par l’étude des ondes sismiques.
10. Connaître la différence entre réfraction et réflexion, et leur rôle en sismologie.
11. Comprendre le transfert thermique interne, le gradient géothermique et le flux géothermique.
12. Être capable d’expliquer le principe de la tomographie sismique et son utilisation pour étudier la convection dans le manteau.