Cours - Structure et fonctionnement de la Terre pt.1 PDF

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Notes de cours L1 S1 du professeur S. Alfaro (2020-2021)
Première partie...

Description

Structure et dynamique de la Terre PARTIE I Stéphane Alfaro

Introduction :  

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Forme de la Terre : pratiquement sphérique -> aplatissement au niveau des pôles et élargissement au niveau de l’équateur. Taille : RT ≈ 6370 km Eratosthène (-200 av J-C) a pu estimer la taille de la Terre : RT= 6400 km -> grâce à l’arrivée des rayons du Soleil et de l’ombre des objets. Masse : MT = 6.1024 kg Estimation de la masse de la Terre : o Principe de Newton -> loi de la gravitation universelle K = constante d’interaction gravitationnelle

o Méthode de Bouguer 

Densité moyenne du globe : p = 5,5 g/cm3 Densité par rapport à l’eau Cela veut dire que les matériaux qui constituent la Terre sont 5x plus lourd que l’eau. Or normalement ils ont p masse volumique de la Terre nettement supérieur à la précédente, cela signifie donc qu’à l’intérieur de la Terre il y a quelque chose de bcp plus dense qu’à la surface -> pb de zonation (= différenciation entre ce qu’on voit à la surface et ce qu’on voit dans les profondeurs)

I.

STRUCTURE INTERNE DE LA TERRE A. Techniques exploratoires

Les séismes : mouvements brusques de 2 lèvres de la croûte terrestre. 

3 types de mouvements :

Accumulations de tensions au niveau de la zone de contact entre les 2 lèvres -> quand la tension est trop forte, la zone cède -> mouvement court mais libérant bcp d’énergie -> séisme.

Ondes sismiques partant du foyer du séisme se propagent : 2 types d’ondes sismiques 

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Ondes P = ondes de compressions -> ondes longitudinales. Traversent les milieux liquides et solides. Ondes primaires -> vitesse rapide Ondes S = ondes de cisaillement -> ondes transverse. Traversent uniquement les milieux solides. Ondes secondaires -> vitesse plus lente

Sismographe : appareil qui enregistre les mesures des séismes. Dans les stations sismiques on utilise 3 sismographes : 1 pour la verticale, 2 pour l’horizontal (axe N-S et E-O) Vitesse de propagation d’une onde sismique :  

P = masse volumique. Elle augmente avec la pression et donc la profondeur K et µ dépendent de la nature du matériau et de la pression. Elles augmentent plus vite avec la pression que p. Ce qui fait que Vp augmente avec la profondeur. Conséquences : Ondes sismiques peuvent subir le phénomène de réfraction. Dès qu’il y a un changement de matériau, il y a un changement de direction : o Brusque au niveau d’une discontinuité de vitesse o Progressif si la vitesse évolue lentement

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Zone d’ombre : très peu d’ondes sismiques à cause d’une discontinuité

 Certaines ondes P y parviennent

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Absences d’ondes S aux antipodes du lieux du séisme (entre les zones d’ombres)

 Ondes S bloqués par un objet liquide (le noyau dont une partie est liquide)

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Discontinuité de Mohorovicic (ou MOHO) : profondeur de l’ordre de 30 à 40 km, mais pouvant varier entre environ 5km sous les océans et 80 km sous les montagnes. Toutes les discontinuités ont été révélées grâce à l’utilisation d’ondes sismiques. Noyau externe = liquide Noyau interne = solide Asthénosphère = plus dense et ductile

Croûte terrestre est d’épaisseur variable : 

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Croûte océanique : 7km o Constituée de basaltes et de gabbros (Silice et magnésium -> SIMA) o Densité : environ 3 o Relativement jeune Croûte continentale : o Plaines : 30-35 km o Montagnes : 50-70 km o Constituée de granites, gneiss (silicates et alumine -> SIAL) et roches sédimentaires. o Densité : environ 2,8 o Relativement ancienne

Roches sédimentaires : fragments de CC issus de l’érosion (hydrique ou éolienne) qui forme des dépôts sédimentaires.

Asthénosphère et lithosphère  

Limite entre les deux parties est l’isotherme à 1300°. Dans la lithosphère, chaleur se propage par conduction alors que dans l’asthénosphère elle est transmise de manière conductive et convective. o Lithosphère = rigide et cassant pcq froide -> environ 100 à 120 km d’épaisseur. o Asthénosphère = chaud et ductile -> partie du manteau supérieur sous-jacent (solide).

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La lithosphère est appelée par les physiciens « la couche limite thermique supérieur du système convectif mantellique ».

II. DYNAMIQUE DE LA TERRE – La tectonique des plaques ou tectonique globale A. Stratigraphie et ses principes fondamentaux Stratigraphie = études des strates (= chacune des couches de matériaux constituant un terrain).  

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Principe de continuité : une même couche à le même âge sur toute son étendue. Principe d’uniformité : structures géologiques passées ont été formées par des phénomènes (tectoniques, magmatiques, sédimentaires…) agissant comme à notre époque. Principe d’identité paléontologique : deux couches ayant les même fossiles (=fossiles stratigraphiques) du même âge ont donc le même âge. Permet de corréler des séries sédimentaires de régions éloignées. Principe de superposition : sans bouleversements structuraux, une couche est plus récente que celle qu’elle recouvre et plus ancienne que celle qui la recouvre. Principe d’horizontalité : couches sédimentaires se déposent horizontalement : une couche sédimentaire qui n’est pas en position horizontale a subi des déformations postérieures à son dépôt.

B. Principe de datation Principe de la datation relative (biostratigraphie) : utilisation de fossiles stratigraphiques (trilobites -> paléozoïque, ammonites -> mésozoïque et plus spécialement le Crétacé, …) Pendant de nombreuses années, ce type de datation était la seule méthode utilisée. Permettait juste de comparer différentes couches mais pas de leur donner un âge. Fossile stratigraphique :  

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A eu une grande extension géographique (permet d’établir des corrélations à plusieurs endroits éloignés du globe). A existé pendant une courte durée à l’échelle du temps géologique de façon à avoir une bonne « résolution » stratigraphique en délimitant des périodes de temps courtes, donc des couches de terrain de faible épaisseur. A été abondant (pour en retrouver suffisamment à l’état fossile).

Principe de la datation absolue (radiostratigraphie)

Il y a aussi les couples potassium40/argon40 et rubidium87/strontium87 Ce principe permet de donner des âges absolus à l'ensemble de l'échelle stratigraphique établie par datation relative. Ex : Il y a 65 Ma, extinction massive de 90% des espèces vivantes (dinosaures, ammonites…) -> fin du Mésozoïque

Début de la formation de la Terre il y a 4,7 milliards d’années. Premiers restes d’organismes vivants retrouvés il y a environ 3 Ma, donc la vie est apparue assez « vite/tôt » sur Terre même si elle était constituée d’organismes rudimentaires (bactéries…). Mais son développement ne sait pas fait de façon constante : au début dev lent, puis accélération et explosion de la diversité des espèces.

Théorie d’Alfred Wegener (théorie de la « dérive des continents »)  

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Arguments morphologiques : complémentarité des formes des continents. Arguments géologiques : o Stratigraphiques : formations glaciaires rares et âgées de 250 MA qui se retrouvent aujourd’hui à l’identique sur différents continents (Afrique, Australie…) o Paléontologiques : faunes et flores identiques sur des continents aujourd’hui éloignés les unes des autres. Il faut admettre que dans le passé ces continents étaient très proches les uns des autres. Arguments magnétiques : o Rappels sur le champ magnétique terrestre actuel : champ magnétique pointe vers la surface (hémisphère nord) ou vers le ciel (hémisphère sud) et vers le nord magnétique qui ne coïncide pas exactement avec le nord géographique -> déclinaison (=écart angulaire) qui dépend de l’endroit où on se trouve à la surface de la Terre. o Inclinaison positive dans l’hémisphère nord (champ rentrant) et négative dans l’hémisphère sud (champs sortant).

Paléomagnétisme (magnétisme fossilisé) 

Permet de reconstruire les caractéristiques du champ de la Terre dans le passé.

Principe : Cas des trapps du Deccan (Inde) 

On observe des couches de laves (refroidies) issu du volcanisme il y a 65 Ma. Au moment de la solidification de la lave, les cristaux qu’elle contenait se sont organisés en fonction du champ magnétique de cette époque. On constate que le champ était sortant à cette époque, or actuellement, l’Inde est dans l’hémisphère nord dont le champ est aujourd’hui rentrant. On se demande donc : L’Inde s’est-elle déplacée ? Est-elle passée de l’hémisphère sud à l’hémisphère nord ? Ou est-ce le pôle magnétique qui a dérivé ?

Mobilité apparente du pôle magnétique Les différents traits de couleur indiquent la trajectoire apparente du pôle nord magnétique terrestre établie à partir de plusieurs mesures du paléomagnétisme sur des échantillons datant de l'Éocène sur différents continents (Europe, Amérique du Nord, Inde). Cela permet de savoir quelle était les différentes directions du pôle nord m à différentes époques et régions. Ces données sont obtenues grâce aux laves prélevés sur ces continents (et grâce à leurs cristaux). Les résultats suggèrent que ce n’est pas le pôle nord m qui a bougé mais les continents -> dérive des continents

E=Éocène (50 Ma) < J=Jurassique (175 Ma) < T=Trias (225 Ma) < P=Permien (260 Ma) < Ca =Carbonifère (320 Ma) < S=Silurien (420 Ma) < Cb=Cambrien (530 Ma). Les âges absolus (entre parenthèses) correspondent au milieu de la période mentionnée. Reconstruction du déplacement des continents Au trias (240 MA), les continents que ne connaissons aujourd’hui formaient initialement un supercontinent -> la Pangée entouré par un océan -> la panthalassa.

La Pangée à commencer à se fractionner à la fin du Trias. Evolution de la Pangée au cours du temps :

Défaut de la théorie de Wegener : Quel est le moteur du déplacement des continents ? Pour répondre à cette question il a fallu attendre qu’on puisse explorer de façon précise les fonds océaniques. Fonds océaniques Dorsale au niveau de la crète médio-océanique

Théorie de Hess (1965) : Anomalie magnétique positive = champ magnétique mesuré supérieur au champ magnétique terrestre moyen. Anomalie magnétique négative = inverse.

Quand on mesure un champ magnétique au fond des océans, on mesure un champ magnétique global (Blocal) qui est :

Le champ magnétique fossile peut être soit le même sens qu’aujourd’hui, soit le sens opposé. Si c’est le 1er cas alors il renforce le champ magnétique terrestre actuel, dans le 2nd cas il va se soustraire au champ magnétique actuel et provoquer une anomalie négative.

Observations de Brunhes : sur les 4 derniers MA il y a eu des changements multiples de sens du champ magnétique -> pôle nord magnétique de nos jours était auparavant au pôle sud magnétique.

Cela permet de définir une échelle magnétostratigraphique :

Expansion océanique : La datation de la croûte océanique permet de constater qu’au niveau des dorsales, la croûte océanique néoformée et plus récente (plus jeune) contrairement à la croûte océanique lorsqu’on s’éloigne de la dorsale qui est plus ancienne (max 180 millions d’années). Il y a donc un éloignement progressif de la croûte océanique de part et d’autre de la dorsale et donc une expansion océanique -> mouvement des plaques continentales. Comparaison avec l’âge de la croûte continentale : 2,5 Ma max donc on voit bien que la croute continentale est plus âgée.

180 millions d’années pour la croûte océanique la plus vielle sur les 4,7 Ma d’existence de la Terre c’est peu. Donc on peut se demander comment c’est possible.

Formation de la lithosphère au niveau de la cordillère océanique Rappel : lithosphère rigide et cassante et asthénosphère chaude et ductile (mais solide)

Différence de température entre la lithosph et l’asthénosph entraine des courants de convection : une partie des matériaux asthénosphériques vont remonter vers la surface en formant des cellules convectives. Cette remontée va exercer une pression sur la lithosphère qui va se fracturer et former une faille (dorsale) dont des matériaux chauds (magma) vont s’échapper. Lorsque ce magma entre en contact avec l’eau (ou l’air si c’est en surface) il va refroidir et cela va entrainer la formation de la croûte océanique (ou de la CC). Par la suite, la CO va diverger des 2 côtés de la dorsale et s’en éloigner jusqu’à rentrer en contact avec une CC. Etant plus dense que celle-ci, la CO va s’enfoncer au niveau de ce qu’on appelle une zone de subduction et va se remélanger avec les matériaux de l’asthénosphère (d’où l’âge peu élevé de la CO). Flux de chaleur maximal : 400 mW/m² -> 1000 fois moins important que l’énergie apportée du Soleil. Important au niveau des dorsales et faible au niveau des zones de subduction.

Séismes ne se produisent que dans la lithosphère entre ]50 à 100[km. D’après la 1ère carte, on a l’impression que la surface terrestre est composée de plaques (2nd carte) délimités par des zones sismiques.

Vitesses de déplacement des plaques : Les taux de divergence et de convergence ne sont pas identiques partout : 

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Divergence varie de 1,8 à 4,1 cm/an dans l'Atlantique et de 7,7 à plus de 18 cm/an dans le Pacifique. Convergence se fait à raison de 3,7 à 5,5 cm/an dans le Pacifique.

À noter le taux de déplacement latéral relatif le long de la faille de San Andreas en Californie (~ 5,5 cm/an).

3 types de mouvements : 

Convergence : zone de collision (entre de CC) avec formation d’un plissement et séisme peu profonds ou zone de subduction (entre CO et/ou CC) avec des séismes plus profonds, du volcanisme et une faille océanique profonde.

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Divergence : au niveau des dorsales avec du volcanismes et des séismes peu profonds. (Ex : Islande située sur 2 plaques différentes : plaque Eurasienne et NordAméricaine) Failles transformantes : glissement d’une plaque contre l’autre et séismes peu profonds. (Ex : faille de San Andreas)

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Tout autour du Pacifique il y a du volcanisme résultant du phénomène de convergence/subduction :

Volcanisme intra-plaque : points chauds (hot spots)

Schéma bilan :...