Fiche de révision : Structure interne du globe terrestre

📋 Plan du Cours

1. Relief et composition des croûtes
2. Ondes sismiques et hétérogénéité terrestre
3. Moho et épaisseur de la croûte
4. Lithosphère et asthénosphère
5. Discontinuités profondes
6. Géotherme et transferts thermiques
7. Modèle PREM et anomalies sismiques
8. Hydratation de la lithosphère océanique
9. Indices des zones de subduction
10. Magmatisme des zones de subduction
11. Traction et mobilité des plaques
12. Indices des zones de collision

📖 1. Relief et composition des croûtes

★ À maîtriser

• La distribution des altitudes terrestres est bimodale et non symétrique, avec un domaine continental principalement entre 0 et 1 km et un domaine océanique entre −3 et −6 km.

📌 La croûte océanique, épaisse de 5 à 10 km et de densité voisine de 2,8 à 2,9, est moins épaisse et plus dense que la croûte continentale.

• La croûte continentale, d’environ 30 km d’épaisseur et de densité comprise entre 2,6 et 2,7, est plus épaisse et moins dense que la croûte océanique.

• La distribution bimodale non symétrique des altitudes s’explique par la nature différente des roches et par la densité plus faible de la croûte continentale par rapport à la croûte océanique.

Compléments

• Les surfaces immergées se situent en moyenne vers −4 500 m, tandis que les surfaces émergées se situent vers +100 m.

• La croûte océanique comprend :

  • des roches sédimentaires
  • du basalte en coussins
  • du basalte en filons
  • du gabbro plutonique

• Le basalte contient notamment de l’olivine, des pyroxènes, des feldspaths plagioclases et, lorsqu’il refroidit rapidement en surface, une pâte de verre ; sa texture est alors microlithique.

• Le gabbro contient des minéraux jointifs, notamment de l’olivine, des pyroxènes et des feldspaths plagioclases, ce qui correspond à une texture grenue formée par refroidissement lent en profondeur.

• La croûte continentale comprend :

  • des roches magmatiques
  • des roches métamorphiques
  • des roches sédimentaires
  • des roches de composition granitique

• Le granite est composé de :

  • feldspaths
  • quartz
  • micas

📖 2. Ondes sismiques et hétérogénéité terrestre

🔑 Notions clés & Définitions

• Séisme : Libération brutale d’énergie lors de la rupture de roches soumises à des contraintes, sous forme d’ondes sismiques.

★ À maîtriser

• Les ondes P sont des ondes longitudinales de compression-dilatation, les plus rapides, enregistrées en premier et capables de se propager dans les milieux solides et liquides.

• Les ondes S sont transversales, arrivent après les ondes P et se propagent uniquement dans les milieux solides.

• La vitesse des ondes sismiques augmente lorsque la température diminue et lorsque la densité des roches augmente.

Compléments

• Les ondes L, découvertes par Love et Rayleigh, se propagent uniquement en surface, arrivent après les autres ondes et ont de grandes amplitudes responsables des dégâts les plus importants.

📌 Un sismographe est l’instrument qui détecte les ondes sismiques, tandis qu’un sismogramme est leur enregistrement.

• À une discontinuité, c’est-à-dire un changement de milieu, les ondes sismiques peuvent être réfléchies et/ou réfractées selon les lois de Snell-Descartes, ce qui modifie leur vitesse.

• Les différences entre vitesses sismiques réelles et vitesses moyennes théoriques révèlent que le globe est hétérogène par sa composition, sa densité et sa température.

📖 3. Moho et épaisseur de la croûte

🔑 Notions clés & Définitions

• Moho : Discontinuité qui sépare la croûte du manteau, mise en évidence par l’étude des ondes P réfléchies.

★ À maîtriser

• La croûte continentale s’épaissit sous les chaînes de montagnes, notamment sous les Alpes.

Compléments

• La profondeur du Moho indique l’épaisseur de la croûte terrestre et varie selon les stations d’observation.

• Les roches situées sous le Moho appartiennent au manteau, ont une densité approximative de 3,3 et correspondent à des péridotites.

📖 4. Lithosphère et asthénosphère

★ À maîtriser

• Dans le manteau, les ondes sismiques ralentissent progressivement dans une zone de faible vitesse associée à une température supérieure à 1 300 °C.

• La lithosphère comprend la croûte et le manteau lithosphérique, tandis que l’asthénosphère se trouve sous la lithosphère à partir de la zone de faible vitesse.

📌 Le manteau lithosphérique est cassant en raison de températures plus faibles, tandis que le manteau asthénosphérique est solide mais ductile et plus chaud.

Compléments

• La péridotite conserve la même nature dans la zone de faible vitesse, mais l’augmentation de la température modifie son comportement, qui devient ductile sous cette zone.

💡 Astuce mémo

Au-dessus de la LVZ, manteau lithosphérique cassant ; dans la LVZ, péridotite plus chaude et ductile.

📖 5. Discontinuités profondes

★ À maîtriser

• La discontinuité de Gutenberg sépare le manteau inférieur du noyau externe à environ 2 900 km de profondeur.

• La discontinuité de Lehmann sépare le noyau externe du noyau interne à environ 5 100 km de profondeur.

Compléments

• Les ondes P réfractées dans le noyau sont très retardées et contribuent à une zone d’ombre sismique située entre environ 103° et 142° de distance angulaire à l’épicentre.

📖 6. Géotherme et transferts thermiques

★ À maîtriser

• Le géotherme terrestre décrit l’évolution de la température en fonction de la profondeur, et la température augmente avec la profondeur.

• Le gradient géothermique de la croûte terrestre est d’environ 20 °C/km, tandis qu’il est inférieur à 2 °C/km dans le manteau et les noyaux interne et externe.

📌 La conduction transfère la chaleur sans déplacement de matière, de proche en proche, tandis que la convection transfère la chaleur par déplacement de matière.

Compléments

• En convection, la matière chaude, moins dense, remonte, puis refroidit et redescend, formant un circuit qui homogénéise le milieu.

📌 La lithosphère, où le gradient géothermique est élevé, transfère la chaleur par conduction, tandis que les autres couches, aux gradients plus faibles, la transfèrent par convection.

• Des cellules de convection existent dans le manteau et le noyau externe, avec de la matière chaude qui remonte vers la surface et de la matière froide qui redescend.

• L’énergie thermique interne du globe provient de la désintégration naturelle d’éléments radioactifs présents dans le noyau, le manteau et les croûtes.

💡 Astuce mémo

Chaleur → gradients élevés et conduction dans la lithosphère ; gradients faibles et convection dans les autres couches.

📖 7. Modèle PREM et anomalies sismiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle PREM : Modèle sismique fondé sur le comportement des ondes sismiques dans les différentes couches et permettant de caractériser ces couches et leurs discontinuités.

★ À maîtriser

• Des ondes arrivant plus rapidement à la station indiquent une anomalie positive de vitesse et une zone traversée plus froide.

• Des ondes arrivant en retard à la station indiquent une anomalie négative de vitesse et une zone traversée plus chaude.

Compléments

• En Indonésie, des anomalies positives de vitesse en surface et en profondeur révèlent la plongée d’une lithosphère froide, rigide et cassante dans une zone de subduction liée à la convergence des plaques.

• Dans le Pacifique Sud, des anomalies négatives sous les volcans indiquent une zone plus chaude que le modèle, depuis les profondeurs jusqu’à la surface, interprétée comme une remontée de matériel chaud à l’origine d’un volcanisme de point chaud au milieu d’une plaque.

💡 Astuce mémo

Anomalie positive : froid ; anomalie négative : chaud

📖 8. Hydratation de la lithosphère océanique

🔑 Notions clés & Définitions

• Métamorphisme hydrothermal : Transformation minérale lente à l’état solide provoquée par le refroidissement des roches et leur hydratation par l’eau infiltrée.

★ À maîtriser

• 🔄 L’évolution du plancher océanique suit ces étapes :
  1. Le plancher océanique s’écarte de la dorsale et se fissure sous l’effet des mouvements de plaques.
  2. L’eau froide s’infiltre dans les roches par les fissures et les hydrate.
  3. L’eau se réchauffe puis ressort par d’autres failles.

Compléments

• Lors de l’hydratation, le pyroxène peut se transformer en hornblende, et un gabbro peut devenir un métagabbro, comme un basalte peut devenir un métabasalte.

• Les eaux hydrothermales ressortent à environ 200 à 300 °C sous forme de fumeurs noirs chargés d’éléments minéraux, notamment de soufre et d’éléments métalliques.

💡 Astuce mémo

Eau infiltrée → minéraux hydratés → métamorphisme

📖 9. Indices des zones de subduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Plan de Wadati-Benioff : Plan suivant lequel s’inclinent les foyers sismiques associés à la plaque plongeante.

★ À maîtriser

• Une zone de subduction présente une fosse sous-marine profonde de plus de 7 000 m et, sur le continent, une chaîne de volcans à relief élevé.

• Les zones de subduction comportent de nombreux foyers sismiques depuis la surface jusqu’à environ 600 km de profondeur.

• En tomographie sismique, une anomalie positive de vitesse en profondeur révèle un matériau plus froid, correspondant à une lithosphère océanique refroidie qui plonge.

Compléments

• La présence de séismes en profondeur révèle une couche solide, rigide et cassante : la lithosphère océanique plongeante.

• Lors de sa plongée, la lithosphère océanique froide se réchauffe un peu.

📖 10. Magmatisme des zones de subduction

★ À maîtriser

• Dans les zones de subduction, le magmatisme provient du manteau, constitué de péridotites, dans le coin de manteau chevauchant situé sous les volcans.

• L’hydratation abaisse le point de fusion d’une roche et permet à la péridotite hydratée de dépasser son solidus et de fondre partiellement.

• Lors de la subduction, les roches hydratées de la croûte océanique évoluent selon la succession schistes verts, schistes bleus, puis éclogite, et se déshydratent avec formation de jadéite et de grenat.

• L’eau libérée par la déshydratation de la croûte océanique hydrate les péridotites voisines du coin de manteau, abaisse leur point de fusion et provoque leur fusion partielle, qui produit un magma hydraté.

Compléments

• La croûte de la lithosphère océanique s’hydrate au cours de son évolution et forme des minéraux hydratés, notamment la hornblende, par métamorphisme hydrothermal.

💡 Astuce mémo

Schistes verts → schistes bleus → éclogite

📖 11. Traction et mobilité des plaques

📝 Points essentiels

📐 Formule - La pression calculée pour la poussée est $P \approx 2{,}44 \times 10^{7}\ \mathrm{N/m^2}$ et la traction vaut $T \approx 2{,}45 \times 10^{8}\ \mathrm{N/m^2}$, donc $P < T$.

• La comparaison des forces indique que la traction est le moteur de la mobilité des plaques, car elle est supérieure à la poussée.

💡 Astuce mémo

T > P : la traction l’emporte sur la poussée

📖 12. Indices des zones de collision

🔑 Notions clés & Définitions

• Anatexie crustale : Fusion partielle des roches dans un contexte de collision, lorsque la température et la pression deviennent suffisamment élevées.
• Schistosité : Structure de la roche caractérisée par une orientation préférentielle des minéraux selon des plans parallèles, suivant lesquels la roche peut se débiter en feuillets.

★ À maîtriser

• La convergence continentale produit : des plis sans cassure, des failles inverses où le compartiment supérieur chevauche le compartiment inférieur, des chevauchements de grande ampleur

• Sous l’Himalaya, de nombreux foyers sismiques se trouvent jusqu’à 50 km de profondeur et la croûte continentale s’épaissit en profondeur pour former une racine crustale.

• Dans les zones de collision, l’augmentation de la pression et de la température transforme les roches par métamorphisme à pression et température moyennes.

Compléments

• L’Himalaya se situe à la frontière entre les plaques indienne et eurasiatique, où la rencontre de deux plaques continentales provoque une collision et de nombreux séismes.

• Les plis, les failles inverses et les chevauchements sont des indices de raccourcissement et d’épaississement de la lithosphère.

• L’anatexie crustale produit des roches plutoniques de type granite, qui refroidissent en profondeur.

💡 Astuce mémo

Convergence → raccourcissement et épaississement

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des croûtes terrestre