Chapitre 6 - La structure du globe terr

Sciences de la Vie et de la terre - 1ère spé (cours)

OUTILS :

Chapitre 6 - La structure du globe terrestre

Bilan

Vers la zone d'exercices

Introduction :Ce que je sais déjà

Préparation

Préparation

La Terre, machine thermique

La propagation des ondes sismiques

Observer la surface de notre planète

Sciences de la Vie et de la terre - 1ère spé (cours)

Chapitre 6 - La structure du globe terrestre

Question 1

Question 6

Je me rappelle mes cours

Question 2

Question 3

Question 4

Question 5

Sciences de la Vie et de la terre - 1ère spé (cours)

OUTILS :

TP - Observer la surface de notre planète

les altitudes terrestres varient de +8 700 m à - 11 000m. La répartiton de leurs fréquences permet de distinguer deux types de terrains d'altitudes moyennes différentes : les continents et les océans. Objectif de l'activité : On cherche à identifier les différences géologiques entre les domaines océaniques et continentaux.

Document 3

Document 1

Document 2

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OUTILS :

TP - La Terre, machine thermique

Les manifestations de la chaleur interne sont nombreuses à la surface de la Terre (volcanique, sources chaudes, geysers...). Il est possible de déterminer la température de la Terre et ses éventuelles variations à différentes profondeurs. Objectif de l'activité : On cherche à mettre en évidence l'hétérogénéité thermique du manteau terrestre.

Document 1

Document 2

Document 3

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BILAN

Problématiques abordées > Comment montrer le contraste entre la croûte océanique et continentale ? > Comment connaître la structure interne du globe ? > Comment évolue la température à l'intérieur de la Terre ?

I. Observations directes des roches en surface

III. La Terre, machine thermique

II. La propagation des ondes sismiques et la structure interne

A. La présence de discontinuités

B. Structure superficielle et profonde de la Terre

Document 3 - Étude de la croûte continentale

> Quelques caractéristiques des roches trouvées dans le sous-sol français

Les cartes géologiques indiquent les roches se trouvant à l'affleurement (visibles en surface), ou sous la couche du sol lorsqu'il y en a un (un sol ne compte pas comme une couche de roche).

Les roches sédimentaires ne forment qu'une couche superficielle et reposent généralement sur un socle de granite. On estime qu'elles représentent environ 10% de la masse totale de la croûte continentale, contre 45% pour les roches magmatiques et 45% pour les roches métamorphiques.

Document 1 - Étudier la température en profondeur

> La température du noyau terrestre Le noyau terrestre, est en grande partie liquide, mais sa partie la plus profonde, la graine, est solide. Le noyau étant constitué majoritairement de fer, il suffit de déterminer la température de fusion du fer dans les conditions de pression régnant dans le noyau pour connaître la température à la limite de la graine. En laboratoire, ces conditions ont pu être reproduites grâce à un dispositif spécial. L'analyse du fer permet de déterminer sa température de fusion entre 3 800°C et 5 000°C.

> Le plus profond forage du monde Le forage de Kola, en Russie, avait pour objectif d'atteindre 15 000 m de profondeur, mais, pour des raisons techniques, le forage a été stoppé à 12 262 m.

À la surface, on enregistre une température moyenne de 15°C. À 12 km de profondeur, les scientifiques s'attendaient à mesurer une température de 100°C : finalement, ce sont des températures de 180°C qui ont été obtenues.

Aide à la rédaction d'un compte rendu

• Présentation des résultats

• Introduction

Les résultats obtenus, soit grâce à des documents, soit grâce à une manipulation, un modèle, une expérience, une observation microscopique... doivent être présentés de manière lisible, sous la forme d'un texte, d'un schéma, d'un tableau, d'une capture d'écran légendée...

L'introduction doit présenter le contexte dans lequel le travail est réalisé, ainsi que la problématique associée. À la suite de la problématique doivent figurer les différentes hypothèses proposées permettant de répondre à la problématique.

• Interprétation et critique des résultats

• Stratégie de résolution

Une fois les résultats présentés, ils doivent être comparés aux pronostics réalisés lors de l'étape de "Stratégie". Si on note des différences entre les informations apportées par les résultats et la stratégie proposée, il est alors indispensable de critiquer les résultats obtenus et/ou la stratégie. (voir le cours sur "comment critiquer des données").

À la suite de l'introduction, on pose une stratégie de résolution présentant deux points importants : - Comment va-t-on tester nos hypothèses ? (quelles manipulations/expériences/documents étudiés...) Qu'est-ce que l'on s'attend à observer si nos hyopthèses sont justes ? (quels résultats je m'attends à obtenir lors de mon expérience, qu'est-ce que je m'attends à trouver comme information dans les documents...). Cette étape est indispensable afin de pouvoir correctement interpréter les résultats.

• Conclusion

Pour terminer le compte-rendu, on réalise une conclusion qui reprend les points important du document : la problématique, les hypothèses validées ou non et l'information principale apportée par les résultats. Enfin, la conclusion doit compiler ces informations pour apporter une réponse à la problématique !

III. La Terre, machine thermique

Les mesures directes par les forages ne permettent pas de connaître la tempréature de la Terre qu jusqu'à une dizaine de kilomètres de profondeur. Pour connaître l'évolution du géotherme jusqu'au centre de la Terre, les scientifiques utilisent notamment les données sismiques et les expériences en laboratoire. Ainsi, les géologues ont pu déterminer que la température augmenterait en profondeur pour atteindre plus de 5 000°C au centre de la Terre. L'augmentation de la température en profondeur n'est pas régulière, le gradient géothermique varie. Dans la lithosphère, les roches ont un comportement rigide et cassant. La chaleur interne de la Terre ne peut s'évacuer que par conduction, les transferts thermiques sont alors peu efficaces, le gradient géothermique est donc élevé (30°C en moyenne par km). En revanche, dans l'asthénosphère et le manteau inférieur, les roches ont un comportement ductile et une faible viscosité, ce qui permet des déplacements de matière. La chaleur interne de la Terre peut alors s'évacuer par convection (les roches chaudes se déforment et se déplacement vers le haut du manteau, les roches plus froides sont déplacées vers le bas du manteau). Les transferts thermiques sont plus efficaces par convection et le gradient est donc beaucoup plus faible dans ces zones (0,5°C en moyenne par km). À l'intérieur de la Terre, il existe des zones où la vitesse des ondes est différente de celle prédite par le modèle PREM. Ces hétérogénéités de vitesses s'expliquent par des hétérogénéités thermiques. Dans les zones plus chaudes, la densité des roches est plus faible et donc la vitesse des ondes aussi (anomalie de vitesse sismique négative) et dans les zones froides, la densité des roches est plus élevée et donc la vitesse des ondes aussi (anomalie de vitesse sismique positive). La tomographie sismique permet de révéler les hétérogénéités thermiques au sein du manteau dans certaines régions du globe (fosses océaniques, volcans de point chaud).

Les points importants La température augmente avec la profondeur suivant une courbe nommée géotherme. L'évolution de la chaleur interne de la Terre présente des différences suivant les enveloppes terrestres qui s'explique par les modes de transfert d'énergie thermique. Les différents modes de dissipation thermique interne explique le contraste entre le gradient géothermique élevé dans la lithosphère et le gradient faible du manteau situé en dessous.

Voir documents distribués en classe et partagés sur le site (et sur pronote).

Des méthodes pour découvrir la structure de la Terre

Le volcanisme correspond à l'arrivée en surface de magma. Au cours d'une éruption volcanique, de la lave et des gaz sont émis. On distingue les éruptions effusives lorsque le magma est fluide et les éruptions explosives lorsque le magma est visqueux. Le magma se forme par la fusion partielle des roches à faible profondeur.

Un séisme ou tremblement de terre correspond à des secousses (ou vibrations) brèves et brutales du sol. En profondeur, des contraintes (ou pressions) s'exercent en permanence sur les roches. Sous l'effet de ces contraintes, les roches accumulent de l'énergie, se déforment et finissent par casser au niveau d'une faille.

Préparation de l'activité

Un séisme se caractérise par l'émission de vibrations appelées ondes sismiques. Celles-ci peuvent être enregistrées grâce à un sismomètre (ou sismographe).

Un séisme, ou tremblement de terre, de forte intensité n'est pas forcément catastrophique et peut même passer inaperçu. Le concept de catastrophe naturelle, en soi, ne concerne que les populations humaines. Aléa : phénomène naturel caractérisé par son intensité, sa probabilité de survenue à un endroit et un moment donné, et sa durée. Enjeux : lié aux activités humaines et à la densité de population. Le risque en lui-même dépend donc de l'aléa et de l'enjeu. Un séisme qui a lieu, même loin en profondeur, va avoir des répercussions visibles à la surface.

Plusieurs types d'ondes sont libérées par un séisme : les ondes de surface (ou ondes de Love, ondes L) et les ondes profondes (ondes P et S). Ces différents types d'ondes ont des vitesses variables et sont donc enregistrées les unes après les autres par les stations sismologiques. Elles provoquent également une déformation des roches qu'elles traversent, permettant de caractériser ces ondes.

Mode de propagation des ondes P

Mode de propagation des ondes S

Aide à la rédaction d'un compte rendu

• Présentation des résultats

• Introduction

Les résultats obtenus, soit grâce à des documents, soit grâce à une manipulation, un modèle, une expérience, une observation microscopique... doivent être présentés de manière lisible, sous la forme d'un texte, d'un schéma, d'un tableau, d'une capture d'écran légendée...

L'introduction doit présenter le contexte dans lequel le travail est réalisé, ainsi que la problématique associée. À la suite de la problématique doivent figurer les différentes hypothèses proposées permettant de répondre à la problématique.

• Interprétation et critique des résultats

• Stratégie de résolution

Une fois les résultats présentés, ils doivent être comparés aux pronostics réalisés lors de l'étape de "Stratégie". Si on note des différences entre les informations apportées par les résultats et la stratégie proposée, il est alors indispensable de critiquer les résultats obtenus et/ou la stratégie. (voir le cours sur "comment critiquer des données").

À la suite de l'introduction, on pose une stratégie de résolution présentant deux points importants : - Comment va-t-on tester nos hypothèses ? (quelles manipulations/expériences/documents étudiés...) Qu'est-ce que l'on s'attend à observer si nos hyopthèses sont justes ? (quels résultats je m'attends à obtenir lors de mon expérience, qu'est-ce que je m'attends à trouver comme information dans les documents...). Cette étape est indispensable afin de pouvoir correctement interpréter les résultats.

• Conclusion

Pour terminer le compte-rendu, on réalise une conclusion qui reprend les points important du document : la problématique, les hypothèses validées ou non et l'information principale apportée par les résultats. Enfin, la conclusion doit compiler ces informations pour apporter une réponse à la problématique !

Lexique

> Gabbro : roche magmatique d'origine plutonique de la croûte océanique, à structure grenue, constituée surtout de pyroxène, d'olivine et de feldspaths.

> Anomalie de vitesse sismique : écart entre la vitesse des ondes sismiques mesurée et la vitesse théorique (prédite par le modèle PREM).

> Granite : roche magmatique d'origine plutonique de la croûte continentale, à structure grenue constituée surtout de quartz, de feldspaths et de micas.

> Asthénosphère : zone du manteau où les roches ont un comportement ductile. Elle débute sous la lithosphère par une zone de faible vitesse des ondes sismiques (LVZ) et s'étend jusqu'à près de 700 km de profondeur.

> Lithosphère : couche terrestre formée des roches rigides de la croûte et du manteau supérieur, situé sous le Moho. Sa base est définie par l'isotherme 1 300°C, correspondant à une zone de faible vitesse des ondes (LVZ).

> Basalte : roche magmatique d'origine volcanique de la croûte océanique, à structure microlithique, constituée surtout de pyroxènes, d'olivine, de feldspaths et de verre.

> Manteau : enveloppe terrestre à l'état solide, constituée de péridotites, comprise entre la base de la croûte et le sommet du noyau.

> Conduction : transfert de chaleur de proche en proche à travers un matériau conducteur, sans déplacement de matière.

> Moho : abréviation de "discontinuité de Mohorovicic". Discontinuité séparant la croûte et le manteau (forte accélération des ondes sismiques).

> Convection : mode de transfert de chaleur avec déplacement de matière.

> Croûte : couche la plus superficielle du globe terrestre, partie supérieure de la lithosphère, limitée à sa base par le Moho.

> Ondes sismiques : ondes émises et propagées lors d'un séisme. On distingue les ondes de volume (P et S) tranversant la Terre et les ondes de surface.

> Discontinuité : limite entre deux milieux internes du globe, marquée par de brusques variations de direction et de vitesse des ondes sismiques.

> Péridotite : roche grenue vert-sombre à olivines, pyroxènes et, selon le cas, plagiocles, spinelles ou grenats (constituants du manteau supérieur).

> Ductile : capacité d'un matériau à se déformer sans se casser.

> Rigide : capacité d'un matériau à se déformer en cassant.

Schéma bilan

Déterminer la structure interne de la Terre

La répartition bimodale des altitudes en surface

Liste des logiciels les plus employés en S.V.T.

Mesurim2

Libmol

Edu'model

GenieGen 2

Tectoglob 3D

A. La présence de discontinuités

Lorsque des contraintes s'accumulent sur une roche, celle-ci finit par atteindre son seuil de rupture et libère brutalement l'énergie qui a été préalablement accumulée : c'est un séisme. L'énergie se propage alors sous la forme d'ondes de surface (L) et d'ondes de volume (P et S). Les ondes S ne se propagent que dans les milieux solides. Les ondes P sont des ondes de compression : Les ondes S sont des ondes de cisaillement :

Le point S indique le point de départ de l'onde :

La vitesse de propagation des ondes sismiques dépend de certains paramètres tels que la nature des matériaux, leurs propriétés mécaniques, la température. Par exemple, les ondes se propagent d'autant plus rapidement que les roches sont froides et cassantes. La propagation des ondes de volume en profondeur obéit aux lois de Snell-Descartes. Au niveau d'une discontinuité séparant deux milieux de propriétés différentes, les ondes subissent une réflexion et/ou une réfraction. Ces lois permettent de calculer la forme des rais sismiques en profondeur selon les propriétés des couches profondes du globe et les vitesses des ondes. Inversement, le temps d'arrivée des ondes dans différentes stations va permettre de connaître les propriétés des couches profondes du globe.

Les points importants Un séisme résulte de la libération brutale d'énergie lors de la rupture de roches soumises à d'importatnes contraintes. L'étude de la propagation des ondes sismiques révèle d'importantes discontinuités sur lesquelles les ondes se réfléchissent ou se réfractent en changeant de vitesse.

Document 1 - Une observation du terrain

L'étude du relief des continents et des fonds océaniques a permis de dresser un graphique de la distribution des altitudes à la surface du globe.

Une application permet de visualiser des coupes des premières couches du globe terrestre.

> Lien vers l'application "Profil crustal".

Document 2 - Étude de la croûte océanique

> Quelques caractéristiques des roches trouvées au niveau de la faille VEMA

En 1988, le Nautile, un sous-marin habité de l'Ifremer (Institut français de recherche pour l'exploration de la mer) mène des plongées au niveau de la faille VEMA, située dans la partie centrale de l'océan Atlantique. Ces explorations ont permis de mieux comprendre la structure et la composition de la croûte océanique.

Liste des logiciels les plus employés en S.V.T.

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Préparation de l'activité

Dans cette expérience, on place de l'huile colorée au fond d'un bécher, puis on chauffe le bas du bécher à l'aide d'une bougie.

I. Observations directes des roches en surface

La distribution bimodale des altitudes observées entre continents et le fond des océans reflète un contraste géologique, qui se retrouve dans la nature des roches et leur densité.

B. La croûte continentale

A. La croûte océanique

En 1987, des explorations sous-marines de la dorsale médio-atlatnique, au niveau de la faille VEMA, permettant d'oserver pour la première fois les roches de la croûte océanique en place. Elles révèlent des basaltes en coussins en surface puis des gabbros plus en profondeur. Les basaltes et gabbros sont des roches magmatiques formées par le refroidissement d'un magma. Leur composition minéralogique est identique, mais leur structure est différente. > Le gabbro est une roche très cristallisée, aux minéraux visibles à l'œil : il est de structure grenue. > Le basalte est une roche principalement constituée de verre et de microcristaux, invisibles à l'œil nu : il est de structure microlithique. La croûte océanique présente une densité de 3.

La carte géologique de France montre une très grande hétérogénéité des roches continentales, en surface. On y trouve des bassins ouverts de roches sédimentaires et des domaines cristallins, correspondant à des chaînes de montagne passées et actuelles. Ces derniers sont principalement constitués de roches magmatiques, essentiellement de la famille des granites, et des roches métamorphiques. La croûte continentale présente une densité de 2,7.

Les points importants La répartition bimodale des altitudes à la surface du globe met en évidence un contraste de relief entre les domaines océaniques et continentaux. Cela reflète une différence géologique marquée par la nature des roches. La densité des roches varie selon la croûte et explique la différence de reliefs.

Document 3 - Anomalies de vitesse des ondes sismiques

> Anomalies de vitesse des ondes sismiques Des logiciels permettent d'observer des simulations de tomographie sismique, comme le logiciel en ligne Tectoglob 3D. Grâce aux millions de données traitées très rapidement, les systèmes numériques permettent de modéliser les phénomèens de transfert de chaleur dans le globe.

> La tomographie sismique Les lois physiques permettent de décrire le trajet des ondes sismiques à l'intérieur de la Terre. Le modèle PREM décrit l'évolution de la vitesse des ondes sismiques P et S de la surface jusqu'au centre de la Terre. Grâce à la connaissance des lois physiques et du modèle PREM, il est possible de prédire à quel moment les ondes P et S émises par un séisme arriveront aux différentes stations de mesure. Parfois, les ondes sismiques arrivent plus tôt que prévu ou plus tard que prévu.

Logiciel en ligne Tectoglob 3D

B. Structure superficielle et profonde de la Terre

> Étude de la structure superficielle Lors d'un séisme, les ondes directes ayant cheminé dans la croûte arrivent après les ondes coniques qui ont parcouru un trajet plus long, mais qui ont été accélérées en profondeur. Ces observations ont permis à Mohorovicic de mettre en évidence la discontinuité séparant la croûte et le manteau appelée le Moho (ou discontinuité de Mohorovicic). La croûte continentale est plus épaisse (en moyenne 30 km) que la croûte océanique (en moyenne 7 à 10 km d'épaisseur). Ainsi, le Moho est plus profond sous la croûte continentale que sous la croûte océanique. Entre 120 et 220 km de profondeur, les ondes sismiques sont légèrement ralenties sans qu'il n'y ait de véritable saut de vitesse (pas de discontinuité sismique). Cette zone correspond à la LVZ (Low Velocity Zone). Le haut de la LVZ crrespond à la fin du manteau cassant de la lithosphère, qui correspond à une température stable de 1 300°C (quelle que soit sa profondeur). Le bas de la LVZ correspond au manteau ductile de l'asthénosphère. Donc la LVZ n'est pas une discontinuité mais permet de séparer la lithosphère et l'asthénosphère.

> Étude de la structure profonde L'assemblage de nombreux sismogrammes enregistrés dans diverses stations suite à un même séisme permet de construire des courbes appelées hodochrones. Plus la distance à l'épicentre augmente et plus les ondes ont cheminé en profondeur et leur vitesse a varié plusieurs fois. Quel que soit le lieu d'un séisme, il existe une zone d'ombre entre 104° et 142° par rapport à l'épicentre du séisme. Elle s'explique si l'on admet l'existence d'une discontinuité séparant le manteau et la noyau. En dessous de 2 900 km de profondeur, les ondes P ralentissent brutalement et les ondes S sont stoppées, indiquant que le noyau externe est liquide (les ondes S ne peuvent pas traverser un milieu liquide). Cela permet également de déterminer que le noyau interne est solide. Les études sismiques ont conduit les géologues à proposer un modèle sismique du globe (modèle PREM) ayant une structure radiale.

Les points importants La croûte océanique et continentale est limitée par la discontinuité de Mohorovicic, en dessous de laquelle on trouve le manteau terrrestre. Lorsque le manteau atteint 1 300°C (isotherme), cela marque la limite entre la lithosphère et l'asthénosphère (LVZ). Les couches de la Terre sont plutôt hétérogènes. La limite entre le manteau et le noyau montre qu'il présente une couche liquide externe et une couche solide interne.

Document 2 - Différents modes de transfert de chaleur

Manipulations à réaliser

Modéliser la conduction

1 - Dans un bécher, remplir d'eau puis placer la source de chaleur dans la partie haute du bécher.. 2 - Placer un thermomètre sur la partie haute du bécher et un deuxième sur la partie basse. 3 - Relever la température en haut et en bas du bécher une fois toutes les 30 secondes durant 10 minutes.

Modéliser la convection

4 - Allumer le bain marie et placer un thermomètre près du fond de la cuve et un autre dans la partie haute de la cuve. 5 - Relever la température une fois toutes les 30 secondes durant 10 minutes.

Comme il est impossible de reproduire, en laboratoire, les conditions de l'intérieur de la Terre (ici la très longue durée du processus), on utilise les modèles qui réduisent la complexité du réel. Les modèles utilisés ici permettent d'étudier les modes de transferts thermiques dans des matériaux aux comportements rhéologiques différents : fluides ou rigides.

Liste des logiciels les plus employés en S.V.T.

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Tectoglob 3D

Aide à la rédaction d'un compte rendu

• Présentation des résultats

• Introduction

Les résultats obtenus, soit grâce à des documents, soit grâce à une manipulation, un modèle, une expérience, une observation microscopique... doivent être présentés de manière lisible, sous la forme d'un texte, d'un schéma, d'un tableau, d'une capture d'écran légendée...

L'introduction doit présenter le contexte dans lequel le travail est réalisé, ainsi que la problématique associée. À la suite de la problématique doivent figurer les différentes hypothèses proposées permettant de répondre à la problématique.

• Interprétation et critique des résultats

• Stratégie de résolution

Une fois les résultats présentés, ils doivent être comparés aux pronostics réalisés lors de l'étape de "Stratégie". Si on note des différences entre les informations apportées par les résultats et la stratégie proposée, il est alors indispensable de critiquer les résultats obtenus et/ou la stratégie. (voir le cours sur "comment critiquer des données").

À la suite de l'introduction, on pose une stratégie de résolution présentant deux points importants : - Comment va-t-on tester nos hypothèses ? (quelles manipulations/expériences/documents étudiés...) Qu'est-ce que l'on s'attend à observer si nos hyopthèses sont justes ? (quels résultats je m'attends à obtenir lors de mon expérience, qu'est-ce que je m'attends à trouver comme information dans les documents...). Cette étape est indispensable afin de pouvoir correctement interpréter les résultats.

• Conclusion

Pour terminer le compte-rendu, on réalise une conclusion qui reprend les points important du document : la problématique, les hypothèses validées ou non et l'information principale apportée par les résultats. Enfin, la conclusion doit compiler ces informations pour apporter une réponse à la problématique !