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.
- 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 le Japon, la tomographie sismique révèle une **anomalie froide** (ondes rapides, en bleu) plongeant jusqu'à la limite noyau-manteau à 2 900 km : c'est la **plaque Pacifique en subduction**, encore détectable après des centaines de 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
10 questions
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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.