La structure du globe terrestre Cours

Sommaire

ILes deux grands types de croûte terrestreALa croûte continentaleBLa croûte océaniqueIILes apports des études sismiquesIIILa structure profonde de la Terre

La structure profonde de la Terre a fait l'objet de nombreuses théories explicatives. 

Au début du xxe siècle, Alfred Wegener (1880−1930, astronome et climatologue allemand) propose une théorie nouvelle et révolutionnaire de cette structure et de sa dynamique. 

C'est la dérive des continents, qui mettra plus de 50 ans à s'imposer, avec de nombreuses modifications, sous l'appellation de tectonique des plaques.

Pour déterminer comment la Terre est constituée en profondeur, il a fallu faire la synthèse d'observations très diverses : 

  • étude des roches, de leur densité et de leur composition ; 
  • étude de la répartition des séismes, des volcans, des chaînes de montagnes ;
  • études sismiques.
I

Les deux grands types de croûte terrestre

Croûte

La croûte est la partie la plus superficielle du globe terrestre. Son épaisseur, son âge et sa composition diffèrent selon le type de croûte qui est considéré.

Le modèle dominant jusqu'au début du xxe siècle consistait à imaginer une formation de la croûte terrestre par refroidissement d'une boule de lave en fusion. Le refroidissement affecte en premier lieu la surface qui se solidifie. 

Mais dans ce modèle, la Terre en se refroidissant se contracte, ce qui entraîne des cassures dans cette croûte solide. Les océans (dépressions dans la croûte) apparaissent alors, ainsi que les chaînes de montagnes. 

La croûte est alors considérée comme homogène sur toute sa surface, continents et fond des océans étant constitués des mêmes matériaux. Dans ce cas, la répartition des altitudes à la surface du globe ne devrait répondre qu'au hasard et il devrait exister une répartition statistique de ces altitudes selon le modèle présenté ci-dessous. 

En vert est représentée la courbe théorique, comme si la croûte terrestre était homogène ; en rouge sont représentées les valeurs réelles.

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Une répartition bimodale des altitudes

Il apparaît qu'en réalité la répartition réelle des altitudes est bimodale : il y a deux « pics » d'altitude, l'un vers +100 m, l'autre vers – 4 500 m.

Cela suggère qu'il existe deux types de croûte : une croûte océanique qui serait plus dense que la croûte continentale.

Cette hypothèse a, depuis, été validée par beaucoup d'autres observations (nature des roches, épaisseur, âge…).

Dans son livre « La genèse des continents et des océans » paru en 1912, Wegener indique que « La statistique des surfaces terrestres de même altitude met en lumière le fait curieux que l'écorce du globe présente deux niveaux nettement prédominants entres lesquels les surfaces d'altitude moyenne sont une minorité.
De ces deux altitudes, la plus élevée répond aux aires continentales, la plus basse aux domaines abyssaux. Pour s'en rendre compte, il suffit de diviser la surface du globe en kilomètres carrés et de classer ces derniers par rang d'altitude.
En portant en abscisse les surfaces et en ordonnée les altitudes on obtient une courbe connue sous le nom de courbe hypsographique. »

A

La croûte continentale

La croûte continentale mesure entre 30 et 70 kilomètres d'épaisseur, et peut avoir jusqu'à plus de 4 milliards d'années.

On trouve, dans la croûte continentale, divers types de roches.

Il est possible de trouver, à la surface du globe terrestre, trois grands types de roches :

– les roches sédimentaires, composées d'éléments qui se sont déposés puis compactés (ex. : le calcaire) ;

– les roches magmatiques, formées à partir d'un magma, c'est-à-dire d'un mélange de minéraux fondus. On les subdivise en deux sous-groupes :

  • les roches volcaniques, qui parviennent à la surface du globe au niveau de zones volcaniques où elles se refroidissent brutalement (ex. : le basalte) ;
  • les roches plutoniques, qui ne parviennent pas à l'état liquide à la surface : elles se refroidissent très lentement en profondeur (ex. : le granite) ;

– les roches métamorphiques, qui se forment à partir d'autres roches, sous l'effet de changements de température ou de pression par exemple, mais sans passer par un état liquide (ex. : les schistes).

En surface de la Terre, il existe une mince couche (à l'échelle du globe) de roches sédimentaires, ainsi que des roches métamorphiques (schistes, gneiss).

Mais cette croûte continentale est essentiellement formée de granite. 

La densité de la croûte continentale est d'environ 2,7.

Granite

Le granite est une roche plutonique, de texture grenue, formée essentiellement de quartz, feldspath et mica.

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Observation au microscope polarisant d'une lame mince de granite
B

La croûte océanique

La croûte océanique mesure entre 7 et 10 kilomètres d'épaisseur et ne dépasse pas les 200 millions d'années. 

Elle est formée de basalte en couche supérieure et de gabbro en couche inférieure. 

La densité de la croûte océanique est d'environ 2,9.

Basalte

Le basalte est une roche volcanique avec des microlites (microcristaux), principalement composée de feldspath, plagioclase et pyroxène dans une importante matrice de verre.

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Observation au microscope polarisant d'une lame mince de basalte

Gabbro

Le gabbro est une roche plutonique sombre, de texture grenue, principalement composée de feldspath, plagioclase, de pyroxène et olivine. Il a la même composition que le basalte, c'est seulement sa structure qui varie.

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Observation au microscope polarisant d'une lame mince de gabbro
II

Les apports des études sismiques

Les mouvements à l'intérieur du globe terrestre exercent des contraintes gigantesques sur les roches. Lorsque ces contraintes s'accumulent de manière trop importante, il se produit une cassure dans les roches et une faille apparaît, au niveau de laquelle une partie des roches « glisse » sur une autre partie.

Faille

Une faille est une zone de fracture de l'écorce terrestre, sous l'influence de contraintes mécaniques.

Cela génère des ondes sismiques, qui se propagent alors dans toutes les directions. Comme toutes les autres ondes, ces ondes sismiques peuvent subir des phénomènes de réflexion ou de réfraction, selon les milieux dans lesquels elles sont transmises.

Réflexion des ondes

La réflexion des ondes est un phénomène physique au cours duquel les ondes (sismiques, sonores) rebondissent sur le support sur lequel elles se projettent.

Réfraction  des ondes

La réfraction  des ondes est un phénomène physique au cours duquel les ondes (sismiques, sonores) modifient leur trajet sous l'influence d'une différence de nature ou de composition du support qu'elles traversent. La déviation d'une onde passant d'un milieu à un autre se mesure par l'angle de réfraction.

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Naissance et propagation des ondes sismiques

L'étude de ces phénomènes de réflexion ou de réfraction des ondes sismiques apporte des indications précieuses sur la nature et/ou la composition des milieux qu'elles traversent.

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Naissance et propagation des ondes sismiques

L'étude des séismes a permis de découvrir la nature de la structure interne de la Terre.

Séisme

Un séisme est formé de trois types d'ondes :

  • les ondes R (de Rayleigh) et L (de Love), qui sont des ondes de surface, destructrices, mais très peu utilisées pour les études sismiques ;
  • les ondes P, ou ondes premières, qui sont des ondes rapides, se propageant dans les milieux solides et liquides. Leur vitesse diminue quand la densité du milieu diminue ;
  • les ondes S, ou ondes secondes, qui sont moins rapides et ne traversent que des milieux solides.
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Un sismogramme, enregistrement des ondes sismiques à la suite d'un séisme

L'étude à la surface de la Terre de l'arrivée et du temps de propagation d'une ou plusieurs des ondes d'un même séisme permet de connaître les milieux traversés :

  • quand le milieu change, l'onde sismique est réfractée ou réfléchie, ce qui entraîne une modification de sa trajectoire. L'interface entre ces deux milieux se nomme une discontinuité ;
  • un changement brutal de la vitesse de propagation des ondes sismiques traduit également un changement de milieu de propagation de ces ondes. Là encore, on parle de discontinuité ;
  • la vitesse s'accroît globalement (en négligeant les discontinuités) en allant vers le centre de la Terre, ce qui indique une augmentation de la densité des milieux traversés (et une élévation de la pression).

L'étude de la vitesse de propagation des ondes apporte également des renseignements sur la température des milieux traversés : plus le milieu est chaud et moins la vitesse sera élevée. 

La tomographie sismique permet de déterminer des zones plus ou moins chaudes des profondeurs du globe.

En 1909, en étudiant des phénomènes de réflexion et de réfraction des ondes sismiques, Andrija Mohorovicic (1857−1936, géologue croate) découvre une discontinuité séparant la croûte du manteau : le Moho. Il est situé à une cinquantaine de kilomètres de profondeur sous la croûte continentale, et de 7 km sous la croûte océanique.

Manteau

Le manteau est situé sous la croûte, dont il est séparé par le Moho. Il est constitué de péridotites.

Péridotite

La péridotite est une roche plutonique grenue principalement composée d'olivine, de pyroxène et d'amphibole.

À une profondeur voisine de 100 km (mais cela varie selon l'endroit considéré), les ondes sismiques se propagent à une vitesse réduite : c'est la Low Velocity Zone (= LVZ), qui marque la limite entre une couche superficielle très rigide, la lithosphère, et une couche plus ductile (plus « molle » mais non liquide), l'asthénosphère.

Lithosphère

La lithosphère est une couche externe, rigide, cassante, du globe terrestre, constituée par la croûte et la partie superficielle du manteau supérieur (manteau lithosphérique). Elle est divisée en plaque mobiles les unes par rapport aux autres : c'est la tectonique des plaques.

Asthénosphère

L'asthénosphère est la couche ductile située sous la lithosphère et sur laquelle cette dernière peut « glisser ».

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La lithosphère repose sur l'asthénosphère

En 1923, Beno Gutenberg (1189−1960, géologue et sismologue allemand) a étudié la structure de la Terre à l'aide des ondes sismiques. 

Il a mis en évidence la zone d'ombre, qui est une zone ne recevant aucune onde sismique. Elle se trouve entre 105° et 143° angulaire de l'épicentre. Il met ainsi en évidence une discontinuité située à 2 900 km de la surface qui est appelée la discontinuité de Gutenberg et qui marque la limite entre le manteau inférieur, et le noyau.

La disparition des ondes S en-dessous de cette discontinuité indique un milieu liquide : le noyau externe.

Au centre se trouve la graine ou noyau interne, solide. La limite entre ces deux zones du noyau est la discontinuité de Lehmann, décrite en 1936 par Inge Lehman (1888−1993, sismologue danoise).

III

La structure profonde de la Terre

La Terre apparaît donc comme formée de diverses couches concentriques, modèle nommé PREM (Preliminary Reference Earth Model).

L'étude de la propagation des ondes sismiques au sein de ces couches révèle des anomalies de vitesse, qui peuvent être interprétées comme des anomalies de température des roches (anomalies thermiques) au sein du manteau.

Ainsi peuvent être expliquées :

  • la localisation des points chauds par détection de roches très chaudes constituant un magma, remontant vers la surface. Ces points chauds aboutissent à des volcans situés au sein même des plaques lithosphériques ;
  • la remontée de matériel chaud au niveau des dorsales océaniques. Ces dorsales sont le lieu de la formation du plancher océanique ;
  • la plongée d'une plaque froide dans le manteau au niveau des zones de subduction. Ces zones correspondent aux endroits où le plancher océanique froid disparaît en plongeant dans le manteau beaucoup plus chaud.
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Un modèle de la structure de la Terre