SVT (Spé) — La dynamique interne de la Terre
La structure du globe terrestre
Ondes sismiques, discontinuités, enveloppes concentriques et tomographie sismique
Résumé synthétiqueFiche en 5 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
La structure interne de la Terre est connue principalement grâce à l'étude des ondes sismiques. Il existe deux types d'ondes de volume : les ondes P (primaires, de compression) qui se propagent dans les solides et les liquides, et les ondes S (secondaires, de cisaillement) qui ne traversent que les solides. Les variations de vitesse de ces ondes en profondeur révèlent des discontinuités majeures : la discontinuité de Mohorovičić (Moho, vers 30-70 km sous les continents) sépare la croûte du manteau, et la discontinuité de Gutenberg (vers 2 900 km) sépare le manteau du noyau. L'absence d'ondes S au-delà de 2 900 km prouve que le noyau externe est liquide. La Terre est donc structurée en enveloppes concentriques : croûte continentale (granitique, épaisse de 30 à 70 km) ou océanique (basaltique, fine de 7 km), manteau (péridotite), noyau externe liquide et graine solide. On distingue aussi la lithosphère (croûte + manteau lithosphérique, rigide) de l'asthénosphère (manteau ductile), une distinction fondamentale pour la tectonique des plaques.
Les ondes sismiques sont notre principal outil pour explorer l'intérieur inaccessible de la Terre. En analysant leurs variations de vitesse et leur comportement aux interfaces, les sismologues reconstituent la structure en couches concentriques du globe.
Structure du globe : croûte, manteau, noyau externe (liquide), graine (solide) et les discontinuités majeures
- Les ondes P (primaires) sont des ondes de compression : elles se propagent dans les solides et les liquides
- Les ondes S (secondaires) sont des ondes de cisaillement : elles ne se propagent que dans les solides
- Les ondes P sont plus rapides que les ondes S → elles arrivent en premier sur les sismogrammes (d'où leur nom 'primaires')
- La vitesse des ondes augmente avec la rigidité du milieu traversé
- Un changement brusque de vitesse indique un changement de milieu → c'est une discontinuité
- Les ondes sont réfractées (déviées) et réfléchies aux discontinuités, comme la lumière à la surface de l'eau
- La zone d'ombre sismique (entre 103° et 143° de l'épicentre) résulte de la réfraction au noyau
- Astuce : P = Pression (compression), S = Secousse (cisaillement, ne passe pas dans les liquides)
Exemple
Un séisme se produit au Japon. Les stations sismiques du monde entier enregistrent les ondes. À Paris (distance angulaire ~85°), on reçoit les ondes P et S normalement. En Australie (~130°, dans la zone d'ombre), on ne reçoit que des ondes P très affaiblies (réfractées par le noyau) et aucune onde S. En Amérique du Sud (~160°), les ondes P réapparaissent. L'absence d'ondes S entre 103° et 143° démontre l'existence du noyau externe liquide.
Piège à éviter
Les ondes P se propagent dans les solides ET les liquides, pas 'uniquement dans les solides'. C'est l'onde S qui est arrêtée par les liquides. L'onde P change de vitesse au passage d'une discontinuité (réfraction) mais n'est pas arrêtée. Beaucoup d'élèves inversent les propriétés des ondes P et S au Bac.
Les discontinuités sont des surfaces où les propriétés physiques changent brusquement, provoquant une variation soudaine de la vitesse des ondes sismiques. Les trois principales (Moho, Gutenberg, Lehmann) délimitent les grandes enveloppes du globe.
- Moho (Mohorovičić) : vers 7 km sous les océans, 30-70 km sous les continents → sépare la croûte du manteau
- Gutenberg : vers 2 900 km de profondeur → sépare le manteau du noyau externe
- Lehmann : vers 5 100 km de profondeur → sépare le noyau externe (liquide) de la graine (solide)
- Au Moho, la vitesse des ondes P passe brusquement d'environ 6-7 km/s à 8 km/s
- À la discontinuité de Gutenberg, les ondes S disparaissent → preuve que le noyau externe est liquide
Exemple
Données sismiques au Moho sous un continent : les ondes P passent de 6,5 km/s (croûte granitique) à 8,1 km/s (manteau péridotitique) en quelques kilomètres. Ce saut brusque de vitesse a été découvert par Mohorovičić en 1909 en étudiant un séisme en Croatie. Sous l'Himalaya, le Moho est à ~70 km de profondeur (racine crustale). Sous l'Atlantique, il est à seulement ~7 km sous le plancher océanique.
Piège à éviter
Le Moho sépare la croûte du manteau (distinction chimique : granite/basalte vs péridotite). La limite lithosphère/asthénosphère (distinction mécanique : rigide vs ductile) est différente et se situe plus profondément (~100-200 km). Ce sont deux concepts distincts que les élèves confondent très souvent. Attention aussi : le noyau n'est pas entièrement liquide — la graine (noyau interne) est solide (fer-nickel cristallisé).
La Terre est structurée en enveloppes concentriques de composition et de densité croissantes vers le centre. De la croûte légère (d ~2,7) au cœur dense de la graine (d ~13), chaque couche a des propriétés physiques et chimiques distinctes.
- Croûte océanique : fine (≈7 km), dense (basalte/gabbro, d ≈ 2,9), jeune (< 200 Ma)
- Croûte continentale : épaisse (30-70 km), moins dense (granite/gneiss, d ≈ 2,7), ancienne (jusqu'à 4 Ga)
- Manteau : de 30-70 km à 2 900 km, composé de péridotite (d ≈ 3,3), représente 82% du volume terrestre
- Noyau externe : de 2 900 à 5 100 km, liquide, composé de fer et nickel
- Graine (noyau interne) : de 5 100 à 6 371 km, solide, fer-nickel cristallisé, température ≈ 5 500°C
- La densité augmente avec la profondeur : de 2,7 (croûte) à 13 (centre de la graine)
Exemple
Comparaison croûte océanique vs continentale. Océanique : basalte/gabbro, densité 2,9, épaisseur 7 km, âge max 200 Ma, formée aux dorsales. Continentale : granite/gneiss, densité 2,7, épaisseur 30-70 km, âge jusqu'à 4 Ga (gneiss d'Acasta, Canada). La croûte continentale est plus légère donc elle 'flotte' mieux sur le manteau et n'est jamais subduite — c'est pourquoi les continents sont si anciens comparés au plancher océanique.
Piège à éviter
La croûte océanique est plus dense que la croûte continentale (2,9 > 2,7), ce qui explique qu'elle se situe plus bas (sous l'eau) et qu'elle peut subducter. Ne confondez pas densité et épaisseur : la croûte océanique est plus dense mais plus fine (7 km vs 30-70 km). C'est la densité, pas l'épaisseur, qui détermine le comportement en subduction.
La distinction entre lithosphère rigide et asthénosphère ductile est fondamentale pour comprendre la tectonique des plaques. Contrairement à la distinction croûte/manteau (chimique), elle repose sur le comportement mécanique des roches.
- La lithosphère = croûte + partie supérieure du manteau (manteau lithosphérique), rigide et cassante
- Épaisseur : ≈100 km sous les océans, ≈150-200 km sous les continents
- L'asthénosphère = couche du manteau sous la lithosphère, ductile (déformable lentement), partiellement fondue
- La LVZ (Low Velocity Zone) est une zone de ralentissement des ondes sismiques dans l'asthénosphère → signe de matériau ductile
- C'est la distinction lithosphère/asthénosphère (mécanique) qui est pertinente pour la tectonique, pas la distinction croûte/manteau (chimique)
- Les plaques tectoniques = morceaux de lithosphère rigide qui 'flottent' et se déplacent sur l'asthénosphère ductile
Exemple
Sous la dorsale médio-atlantique, la lithosphère est très fine (~10 km) car le manteau chaud remonte presque jusqu'à la surface. Sous un vieux plancher océanique (150 Ma), la lithosphère atteint ~100 km d'épaisseur (le manteau lithosphérique s'est refroidi et épaissi). Sous un craton continental ancien (bouclier canadien), elle peut dépasser 200 km. La LVZ (zone de faible vitesse) dans l'asthénosphère, détectée à ~100-200 km, correspond à un matériau ductile partiellement fondu (~1% de liquide).
Piège à éviter
La lithosphère = croûte + manteau lithosphérique. Elle est rigide et cassante (elle se fracture sous les contraintes). L'asthénosphère est ductile (elle se déforme lentement sans casser). Ces deux couches sont composées de péridotite (même composition chimique), mais leur comportement mécanique diffère à cause de la température. La lithosphère n'est PAS synonyme de croûte : elle inclut aussi le manteau lithosphérique rigide !
La tomographie sismique est un véritable scanner de la Terre : en analysant les variations de vitesse des ondes par rapport aux valeurs attendues, elle permet de visualiser les zones chaudes (panaches) et froides (plaques en subduction) du manteau.
- La tomographie sismique est un 'scanner' de l'intérieur de la Terre basé sur les variations de vitesse des ondes
- Zones de vitesse plus élevée que prévu (en bleu) → matériau plus froid et plus rigide (ex : plaque en subduction)
- Zones de vitesse plus faible que prévu (en rouge) → matériau plus chaud et moins rigide (ex : panache mantellique)
- Elle permet de visualiser les mouvements de convection dans le manteau
- Exemple : sous Hawaï, la tomographie révèle une anomalie chaude (vitesse lente) → panache mantellique profond
- Cette technique confirme que le manteau n'est pas statique mais animé de mouvements lents (convection)
Exemple
Sous l'Amérique du Nord, la tomographie sismique révèle une anomalie froide (ondes rapides, en bleu) plongeant jusqu'à la limite noyau-manteau à 2 900 km : c'est l'ancienne plaque Farallon, subduite et encore détectable après plus de 100 millions d'années. Sous l'Islande, on observe une anomalie chaude (ondes lentes, en rouge) remontant depuis le manteau profond : c'est un panache mantellique qui alimente le volcanisme islandais intense, à la fois point chaud et dorsale.
Piège à éviter
En tomographie sismique, les couleurs sont relatives : le bleu signifie 'ondes plus rapides que la moyenne à cette profondeur' (matériau froid et rigide), le rouge signifie 'ondes plus lentes que la moyenne' (matériau chaud et ductile). Ce ne sont PAS des températures absolues. Une zone rouge à 2 000 km de profondeur est quand même à plus de 2 000°C !
Quiz - La structure du globe terrestre
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur La structure du globe terrestre, extraits du quiz de révision.
Les ondes S ne se propagent pas dans :
Réponse :
Le noyau externe liquide
Les ondes S sont des ondes de cisaillement qui ne se propagent que dans les milieux solides. Elles sont arrêtées par le noyau externe qui est liquide.
La discontinuité de Mohorovičić (Moho) sépare :
Réponse :
La croûte du manteau
Le Moho est la discontinuité qui sépare la croûte (continentale ou océanique) du manteau. Elle se situe vers 7 km sous les océans et 30-70 km sous les continents.
À quelle profondeur se situe la discontinuité de Gutenberg ?
Réponse :
2 900 km
La discontinuité de Gutenberg se situe à environ 2 900 km de profondeur et sépare le manteau du noyau externe.
La croûte océanique est composée principalement de :
Réponse :
Basalte et gabbro
La croûte océanique est constituée de basalte (en surface) et de gabbro (en profondeur). Le granite compose la croûte continentale, la péridotite compose le manteau.
La lithosphère est définie comme :
Réponse :
La croûte + le manteau lithosphérique rigide
La lithosphère englobe la croûte et la partie supérieure rigide du manteau (manteau lithosphérique). C'est un ensemble rigide et cassant qui forme les plaques tectoniques.
Comment sait-on que le noyau externe est liquide ?
Réponse :
Les ondes S disparaissent au-delà de 2 900 km
Les ondes S (cisaillement) ne se propagent pas dans les liquides. Leur disparition au-delà de la discontinuité de Gutenberg (2 900 km) prouve que le noyau externe est à l'état liquide.
L'asthénosphère est caractérisée par :
Réponse :
Un comportement ductile (déformable lentement)
L'asthénosphère est une couche du manteau au comportement ductile : elle peut se déformer lentement sous l'effet de contraintes, permettant le déplacement des plaques lithosphériques.
En tomographie sismique, une zone rouge (vitesse lente) indique :
Réponse :
Un matériau chaud et moins rigide
En tomographie sismique, les zones où les ondes ralentissent (en rouge) correspondent à un matériau plus chaud et moins rigide, comme un panache mantellique ou une remontée de matériel chaud.
La croûte continentale est plus épaisse que la croûte océanique. Quelles sont les valeurs approximatives ?
Réponse :
Continentale : 30-70 km, océanique : 7 km
La croûte continentale a une épaisseur de 30 à 70 km (plus sous les chaînes de montagnes), tandis que la croûte océanique ne fait qu'environ 7 km d'épaisseur.
Le manteau terrestre est principalement composé de :
Réponse :
Péridotite
Le manteau est composé de péridotite, une roche ultrabasique riche en olivine et pyroxène. Le fer-nickel compose le noyau, le granite la croûte continentale, et le basalte la croûte océanique.