LA STRUCTURE INTERNE DE LA TERRE. 1. Les différentes couches Les différentes couches composant la structure interne du globe ont été mise en évidence par des discontinuités dans les vitesses des ondes sismiques (lorsqu’elles traversent les différentes couches). D’une couche à l’autre, les matériaux changent de densité et de composition chimique, ce qui fait varier la vitesse des ondes sismiques. a. La croûte • La croûte continentale Elle est relativement peu épaisse, surtout formée de roches granitiques. Son épaisseur moyenne est de 15 à 20 km (mais elle peut atteindre jusqu’à 70 à 80 km sous les grandes chaînes de montagnes telles que les Andes boliviennes). • La croûte océanique Plus dense et plus mince (6 à 7 km) que la croûte continentale, elle est formée essentiellement de roches basaltiques en surface et de gabbros plus en profondeur. Il est à noter qu’on trouve également, au niveau de la croûte, une couverture sédimentaire : mince pellicule de sédiments produits et redistribués à la surface de la croûte par les agents d’érosion (vent, eau, glace). b. Le manteau Il est séparé de la croûte par la discontinuité du Moho (Mohorovicic). Le passage de cette discontinuité ne se traduit pas une accélération des ondes sismiques. C’est l’enveloppe la plus importante du globe terrestre puisqu’elle représente environ 84 % du volume terrestre et 68 % de sa masse. Il descend jusqu’à 2 990 km de profondeur, jusqu’à la limite avec le noyau. Il se décompose en 2 parties. • Le manteau supérieur Son épaisseur est compris entre la discontinuité de Moho et 670 km de profondeur. Il est composé de péridotites. • Le manteau inférieur Il est compris entre 670 et 2 900 km de profondeur où apparaît la discontinuité de Gutenberg qui le sépare du noyau. Il est plus dense que le manteau supérieur, du fait d’une densité croissante. Juste au-dessus de cette zone, à la base du manteau, se trouve la couche dite D’: il s’agit d’une couche épaisse d’environ 200 km, qui assure un certain couplage entre noyau et manteau. c. Le noyau Séparé du manteau par la discontinuité de Gutenberg, il s’étend jusqu’à 6 380 km de profondeur. Il représente environ 14,5 % du volume terrestre et 31 % de la masse : il se divise en un noyau interne solide et un noyau externe liquide (ou enveloppes interne et externe). Il est constitué essentiellement de fer. • Le noyau externe liquide Il est liquide (fer fondu entre autre), d’une épaisseur comprise entre 2 900 km et 5 100 km de profondeur. • Le noyau interne solide Il est séparé du noyau externe par la discontinuité de Lehmann vers 5 100 km de profondeur. On l’appelle également la graine. Il est solide, avec du fer presque pur. 2. Le concept de lithosphère et d'asthénosphère C’est l’étude des ondes sismiques au niveau des zones de subduction qui a permis de mettre en évidence la distinction entre la lithosphère et l’asthénosphère (des structures plus froides plongeant dans des structures plus chaudes). a. La lithosphère Il s'agit de l’enveloppe la plus superficielle du globe terrestre, d’une épaisseur moyenne de 100 km. Elle comprend la croûte et la partie supérieure du manteau supérieur jusqu’à une zone très particulière appelée la LVZ (low velocity zone). Cette zone sépare le manteau supérieur en 2 parties. Elle se trouve vers 100 km de profondeur et s’étend jusqu’à 230 km de profondeur. La vitesse des ondes sismiques y est fortement réduite, d’où son nom. Dans cette zone de moindre vitesse, les matériaux sont plus ductiles et confèrent ainsi une mobilité aux plaques lithosphériques sur une zone plus rigide : l’asthénosphère. Doc.1. La vitesse des ondes sismiques au niveau de lithosphère et asthénosphère. b. L'asthénosphère Elle est comprise entre 100 km et 670 km de profondeur. C’est la partie inférieure du manteau supérieur. Les matériaux sont de nouveau plus rigides, la vitesse des ondes y est plus importante. Ces deux zones sont également séparées par l’isotherme 1 300 °C, qui marque la limite basse de la lithosphère. Schéma de la structure intérieur de la Terre. L'essentiel La Terre a un rayon de 6 400 km. De la surface vers le centre de la Terre, on trouve la croûte (océanique ou continentale), un manteau supérieur, un manteau inférieur puis un noyau (dont la partie externe est liquide). L’étude de la vitesse des ondes sismiques a permis un autre découpage. De la surface vers le centre de la Terre on trouve la lithosphère (croûte océanique ou continentale + partie supérieure du manteau supérieur), l’asthénosphère (partie inférieure du manteau supérieur), le manteau inférieur et le noyau. La structure de la Terre La Terre est constituée de différentes couches : • le noyau interne Il est composé de métaux, essentiellement de fer, à l’état solide. • le noyau externe Il est composé de métaux, essentiellement de fer, à l’état liquide. • le manteau Il est constitué de roches et de magma toujours en mouvement. • la croûte ou écorce terrestre. Elle est constituée de roches solides. Des mots pour comprendre : magma : roche liquide et brûlante Consigne 1 : Lis attentivement les informations données dans le tableau puis réponds aux questions. croûte terrestre manteau noyau externe noyau interne L'épaisseur de la croûte n'est que de 8 km en dessous des mers et de 40 km en dessous d e s continents. Elle est divisée en immenses plaques tectoniques qui reposent sur le manteau. Les courants de convection (déplacement de chaleur) déplacent les plaques qui glissent lentement les unes sur les autres Couche qui va de la croûte au noyau externe principalement composée de roches et de poches de magma. Le manteau est le siège de forts courants de convection qui déplacent les plaques. Le noyau externe est fait de fer et de nickel liquide. Le mouvement de ce matériau en fusion serait à l'origine du champ magnétique régnant à la surface de la Terre. Ce noyau externe a environ 2 300 km d'épaisseur et une température comprise entre 3 500 et 2 500 °C. On imagine le noyau interne comme une sphère solide de fer et de nickel de rayon interne de 1 250 km environ. Sa température est de 5 000 °C (presque la même température que celle du Soleil). La structure de la Terre a. De quoi est composé le manteau ? ........................................................................................... b. Quelle est la température du noyau interne ? ........................................................................................... c. Quel astre très connu a environ la même température ? ........................................................................................... d. De quoi est composé le noyau externe ? ........................................................................................... e. Quel est l’épaisseur de la croûte terrestre située sous les continents ........................................................................................... f. Quel est l’épaisseur du noyau externe ? ........................................................................................... Consigne 2 : Complète le schéma de la structure de la Terre avec les termes suivants. Le noyau interne - la croute terrestre - le noyau externe – le manteau LA TECTONIQUE DES PLAQUES 1. LA DÉRIVE DES CONTINENTS En 1912, un climatologue inconnu appelé Alfred Wegener propose une théorie de la géologie révolutionnaire. Objet de la risée comme l'avait été Darwin en son temps, il disparaîtra au Groënland en tentant d'apporter les preuves de ses idées. Wegener avait lancé la première théorie unificatrice des différentes disciplines de la géologie. Wegener avait été frappé par la similitude des côtes de l'Afrique et de l'Amérique du Sud. Il en déduit que ces deux parties du monde n'ont fait qu'un dans un temps reculé. Sa théorie, dite de la dérive des continents, aujourd'hui reconnue part de l'hypothèse de l'existence d'un continent originel unique, la Pangée. Ce continent s'est scindé en plusieurs morceaux qui ont dérivé les uns par rapport aux autres. Cette théorie est confirmée par la présence de similitudes géologiques et biologiques entre les régions qui devaient être proches. 2. L'OUVERTURE DES OCÉANS Wegener avait vu juste pour la théorie d'ensemble. En fait, ce ne sont pas tant les continents qui dérivent que les océans qui s'ouvrent. Lors de la pose au fond de l'Atlantique du premier fil télégraphique reliant l'Europe à l'Amérique, les scientifiques se sont rendus compte qu'il manquait une dizaine de kilomètres de câble alors que leurs calculs de la largeur de l'océan étaient justes. Il existe au centre de l'océan Atlantique une chaîne de montagnes qui sépare l'océan en deux parties de même tailles et qui se prolonge depuis l'Arctique jusqu'à l'Océan Antarctique sur plus de dix-huit mille kilomètres. Cette chaîne de montagnes est également présente dans les autres océans et elle est appelée dorsale médio-océanique. Cette dorsale est une immense cicatrice et elle met en relation la surface de la Terre (au fond des océans) avec le manteau. Il y a, à cet endroit, remontée du matériel du manteau qui s'épanche au fond des océans. Il y a donc création perpétuelle de croûte océanique par une sorte de tapis roulant qui élargit les océans de part et d'autre du rift (la cicatrice qui ouvre la croûte terrestre) : c'est le phénomène d'accrétion. Nous abordons ainsi la notion de croûte océanique recyclée. Et en effet, nous n'avons jamais trouvé de matériel océanique antérieur à l'ère secondaire. 3. LE PALÉOMAGNÉTISME Il est une science qui vient confirmer la théorie de l'ouverture des océans : c'est celle de l'étude du champ magnétique terrestre dans l'histoire. La Terre possède, comme la plupart des corps en rotation, un champ magnétique. Ce champ magnétique n'a pas toujours été fixe et les pôles magnétiques terrestres se déplacent. Il y a aussi des périodes où ce champ a été inversé par rapport au sens actuel pour des raisons que nous ignorons. Les roches, à leur formation, sont influencées par ce champ magnétique et les particules de métaux magnétiques prennent le sens que leur dicte le champ magnétique terrestre dans lequel elles sont placées. Au moment du refroidissement des roches, ces particules sont piégées et enregistrent ainsi le sens du champ magnétique du moment. Les roches gardent donc en mémoire le champ magnétique terrestre qui existait au moment de leur formation. Nous appelons ce phénomène " rémanence magnétique ". Or, les géologues ont pu constater que les fonds océaniques présentaient d'exactes symétries de part et d'autre de la dorsale quant au sens du champ magnétique indiqué par les roches. Ils en ont conclu que les matériaux situés symétriquement par rapport à la dorsale avaient été formés au même moment. Ceci constitue une nouvelle confirmation de l'existence du double tapis roulant qui, sortant du rift de chaque côté de la dorsale, crée de la croûte océanique et élargit les océans. 4. LA TECTONIQUE DES PLAQUES La dérive des continents comme l'expansion des océans impliquent l'existence de blocs de croûte terrestre qui se déplacent. Il convient dès lors de séparer deux notions que l'on retrouvera dans l'étude des séismes. La croûte terrestre, qu'elle soit continentale ou océanique, est formée de matériau solide, froid et indéformable. Avec la portion supérieure du manteau, elle aussi rigide, elle forme la lithosphère. Sous la lithosphère, dont l'épaisseur varie d'une quinzaine à une centaine de kilomètres, se trouve une couche aux caractéristiques d'un fluide car elle est constituée de roche en fusion : l'asthénosphère. C'est sur cette asthénosphère que se déplace la lithosphère. La lithosphère est rigide. Pour qu'elle puisse entrer en mouvement, il faut donc également qu'elle soit découpée en éléments plus petits. C'est la notion de plaques tectoniques qui ont des mouvements relatifs. L'origine de ces mouvements vient de phénomènes de convections existant dans et sous l'asthénosphère. Les plaques supportent des continents (plaques continentales) ; elles sont alors essentiellement granitiques car issues du continent originel, la Pangée. Les plaques supportent des océans (plaques océaniques) ; elles sont alors essentiellement basaltiques car issues de l'ouverture des océans, l'accrétion. Les connaissances actuelles donnent un nombre de 12 plaques principales. Les principales plaques tectoniques 1. Plaque Nord-Américaine 2. Plaque Sud-Américaine 3. Plaque Africaine 4. Plaque Eurasienne 5. Plaque Indo-Australienne 6. Plaque Antarctique 7. Plaque Pacifique 8. Plaque Arabique 9. Plaque des Philippines 10. Plaque de Nazca 11. Plaque des Caraïbes (qui supporte la Mer des Antilles) 12. Plaque des Cocos (juste à l'Ouest de la précédente) Comparer cette carte avec celle des séismes et celle du volcanisme sur Terre. 5. CONSÉQUENCE DES DÉPLACEMENTS DE PLAQUES Les limites des plaques sont marquées par de nombreux séismes et la présence de volcans en activité du fait des déplacements de celles-ci. Ces limites sont de quatre types principaux. Les zones d'accrétion Les zones d'accrétion (décrites ci-dessus) où se forme la croûte océanique. Les plaques semblent ici s'écarter au niveau des dorsales. Le matériel de l'asthénosphère remonte, poussé par les mouvements de convection, à la surface où, brutalement refroidi par le contact avec l'eau de mer, il se transforme en matériel lithosphérique (plus de 20 kilomètres cube de roches sont ainsi créés chaque année. Les zones d'accrétion sont des zones par lesquelles s'échappe le flux de chaleur interne comme en témoigne l'hydrothermalisme (présence d'eaux chauffées) au niveau du rift. Une dorsale est ainsi assimilable à une très longue et régulière chaîne de volcans. Les dorsales sont souvent océaniques. Néanmoins, il en existe une continentale : l'Afrique orientale s'ouvre le long du grand rift et un océan est actuellement en train de se former là où se situent les Grands Lacs est-africains. Les zones de subduction Les zones de subduction sont des zones où la croûte terrestre disparaît, compensant ainsi la création par accrétion. Elles sont des points de rencontre entre une plaque océanique et une plaque continentale. La plaque océanique basaltique, plus lourde car plus dense (densité 3, 1) s'enfonce sous la plaque continentale granitique (densité 2, 7) : il y a subsidence et le matériel créé par accrétion retourne dans l'asthénosphère par subduction. Ainsi, les plaques continentales peuvent-elles être très vieilles puisqu'elles ne disparaissent pas au contraire des plaques océaniques. Les zones de subduction donnent naissance à de très hautes chaînes de montagnes (les Andes par exemple, subduction de la plaque de Nazca sous la plaque Sud-Américaine). Elles sont le siège de très violents tremblements de terre car le passage d'une plaque sous l'autre se fait au prix de dépenses énergétiques extraordinaires. Des volcans se trouvent souvent à proximité car la base de la plaque continentale, échauffée par le frottement de la plaque océanique, fond et produit un magma pâteux qui remonte vers la surface à travers un front de volcans explosifs. Un cas particulier de la subduction est la subduction océan-océan lorsqu'une plaque océanique passe sous une partie océanique de plaque continentale : un arc insulaire volcanique est alors créé au niveau de la zone de subsidence (Japon, subduction Pacifique sous Eurasie…). Les zones de fermeture océanique Les zones de fermeture océanique compensent également l'accrétion des dorsales. Il s'agit de zones de collision continent-continent ou de zones d'obduction où une plaque océanique, à la faveur d'un arc insulaire, vient chevaucher une plaque continentale. Il y a formation d'épaisses chaînes de montagnes. C'est le cas de toute la chaîne alpine depuis les Pyrénées, Alpes et Balkans (collision Eurasie-Afrique), Caucase (collision Eurasie-Arabie) et Himalaya (collision Eurasie-Indoaustralienne) ou encore la Nouvelle Guinée et la Nouvelle-Calédonie (obduction Pacifique-Indoaustralienne). Des séismes très destructeurs ont lieu là aussi. Les failles transformantes Les failles transformantes sont des lieux où existe un coulissage entre deux plaques qui se déplacent sans se chevaucher ni s'écarter. De grands séismes ont lieu lors de forts déplacements consécutifs à de longs blocages. C'est le cas en Californie (coulissage Pacifique-Nordaméricaine) et en Nouvelle-Zélande (coulissage Pacifique-Indoaustralienne). 6. VALIDITÉ DE LA TECTONIQUE DES PLAQUES La théorie de la tectonique des plaques est désormais admise car nombre d'éléments tendent à la confirmer. Cependant, il faut bien comprendre que la tectonique des plaques est une théorie qui a des limites dans le temps. Elle explique l'évolution des deux derniers milliards d'années et nous ne savons pas quelle était la configuration antérieure de la Terre. De l'autre sens, la tectonique des plaques n'implique pas une régénération perpétuelle de la croûte terrestre dans le cycle accrétionsubduction. Les transferts d'énergie que ces phénomènes requièrent sont tels qu'ils épuisent la réserve thermique de la Terre qui n'est pas infinie. La Terre deviendra, lorsqu'elle sera totalement refroidie, une planète morte (comme Mars) dont la surface ne sera plus modifiée et régénérée par une tectonique active. Sa surface se figera et aucune activité ne se fera plus sentir. Les cratères de météorites suffisamment grandes pour traverser l'atmosphère resteront à jamais gravés dans sa surface. Mots clés : tectonique des plaques ; accrétion des fonds océaniques ; rift ; dorsale subduction ; obduction collision. EXERCICES : THÈME 1. LA STRUCTURE ET LA DYNAMIQUE DE LA TERRE. 1. La structure interne de la planète Terre (41-C305) 2. La structure du globe en surface (41-I210) 3. La structure interne du globe (41-I212) 4. La dérive des continents (41-I105) 5. La théorie d’Alfred Wegener (41-I312) 6. La théorie de la dérive des continents de Wegener (41-I412) 7. L’âge de l’océan Atlantique sud (41-I202) 8. L’âge des basaltes océaniques (41-I207) 9. L’âge des roches du fond de l’océan Atlantique (41-I401) 10. Les mouvements de la lithosphère (41-Ra315) 11. Schéma fonctionnel d’une coupe partielle du globe terrestre (41-Ra107) 12. Les mouvements des plaques (41-Ra105) 13. Conséquences des mouvements des plaques (41-Ra101) 14. La collision de l’Inde et de l’Eurasie (41-I311) 15. La formation de l’Himalaya (41-Ra110) 16. Une théorie longtemps discutée (41-Ra503) 17. La lithosphère, un jeu de plaques (41-Ra505)
