Lernzettel: Structure interne de la Terre

📋 Plan du Cours

1. Contraste continent océan et altitudes
2. Roches de la croûte terrestre
3. Séismes et ondes sismiques
4. Structure en enveloppes et discontinuités
5. Lithosphère et asthénosphère
6. Transfert thermique et géotherme terrestre
7. Anomalies thermiques et tomographie sismique

📖 1. Contraste continent océan et altitudes

🔑 Notions clés & Définitions

• Altitude moyenne continentale : Notion d’altitude typique des régions continentales, utilisée pour comparer la hauteur du relief à l’échelle du globe.
• Altitude moyenne océanique : Notion d’altitude typique des régions océaniques, utilisée pour comparer la profondeur du plancher océanique à l’échelle du globe.
• Croûte terrestre : Ensemble des roches superficielles de la Terre, dont la nature varie entre types de croûte et explique les contrastes continent–océan.

📝 Points essentiels

• L’altitude moyenne en milieu continental est d’environ 800 m.
• L’altitude moyenne en milieu océanique est d’environ −4000 m.
• La différence d’altitude continent–océan reflète un contraste géologique entre deux types de croûte terrestre.
• Le contraste altimétrique sert d’indice indirect pour distinguer des structures de croûte aux propriétés différentes.

💡 Astuce mémo

Continent ≈ +800 m, océan ≈ −4000 m : signe et ordre de grandeur opposés.

📖 2. Roches de la croûte terrestre

🔑 Notions clés & Définitions

• Croûte océanique : Partie superficielle de la Terre sous les océans, principalement composée de basalte et de gabbro.
• Basalte : Roche volcanique de surface de la croûte océanique, issue du refroidissement d’un magma.
• Gabbro : Roche plutonique en profondeur dans la croûte océanique, issue du refroidissement d’un magma à plus grande profondeur.
• Croûte continentale : Partie superficielle de la Terre sous les continents, majoritairement constituée de granite.
• Granite : Roche représentative de la croûte continentale, associée à un refroidissement en profondeur.

📝 Points essentiels

• La croûte océanique est essentiellement formée de basalte et de gabbro.
• Basalte et gabbro proviennent du même magma mais n’ont pas refroidi de la même façon.
• Le basalte se trouve en surface tandis que le gabbro se situe plus en profondeur.
• La croûte continentale est majoritairement constituée de granite.
• Les roches sédimentaires proviennent de l’accumulation de matériaux issus d’autres roches (érosion) ou de particules/coquilles, puis dépôt et compaction.
• Les roches magmatiques proviennent du refroidissement d’un magma (volcaniques en surface, plutoniques en profondeur) et les roches métamorphiques résultent de la transformation sous pression et température.

💡 Astuce mémo

Océan : Basalte (haut) + Gabbro (bas) ; Continent : Granite.

📖 3. Séismes et ondes sismiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Foyer d’un séisme : Zone de rupture des roches le long d’une faille où naissent les ondes sismiques.
• Ondes P : Type d’onde sismique utilisé en géologie pour sonder la structure interne de la Terre.
• Ondes S : Type d’onde sismique dont la présence ou l’absence renseigne sur l’état des couches traversées.
• Discontinuité : Frontière dans la Terre où les propriétés du milieu changent, provoquant réflexion et réfraction des ondes.

📝 Points essentiels

• Les ondes sismiques sont libérées au foyer lors de la rupture des roches le long d’une faille.
• Les ondes se propagent dans toutes les directions, vers la surface et à travers le globe.
• Les ondes P et S ont des propriétés géophysiques exploitables pour déduire structure et composition internes.
• Lors d’un changement de milieu, une partie des ondes est réfléchie et une partie est réfractée (ou réfractée selon le cas).
• L’étude des phénomènes de réflexion/réfraction permet de mettre en évidence des discontinuités en profondeur.

💡 Astuce mémo

P et S = “sonde” : elles révèlent les changements de milieu via réflexion/réfraction.

📖 4. Structure en enveloppes et discontinuités

🔑 Notions clés & Définitions

• Moho : Discontinuité sismique qui sépare la croûte du manteau terrestre.
• Discontinuité de Gutenberg : Discontinuité située à environ 2900 km de profondeur, séparant le manteau et le noyau externe.
• Discontinuité de Lehmann : Discontinuité située à environ 5150 km de profondeur, séparant le noyau externe du noyau interne.
• Modèle PREM : Modèle de référence de la structure concentrique de la Terre construit à partir d’observations sismologiques.
• Péridotites : Roches constituant le manteau, dont le comportement change avec la température.

📝 Points essentiels

• La position d’une limite comme le Moho est déterminée grâce à l’étude des ondes P puis des ondes PMP dans une station.
• Le Moho sépare la croûte du manteau.
• La profondeur du Moho est d’environ 7 à 10 km sous les océans.
• La profondeur du Moho est d’environ 30 km sous les continents.
• Le Moho peut atteindre 50 à 70 km sous les chaînes de montagnes.
• La discontinuité de Gutenberg est située à 2900 km de profondeur et la disparition des ondes S indique que le noyau externe est liquide.

💡 Astuce mémo

Moho = croûte→manteau ; Gutenberg = manteau→noyau externe (S disparaissent) ; Lehmann = noyau externe→noyau interne.

📖 5. Lithosphère et asthénosphère

🔑 Notions clés & Définitions

• LVZ (Low Velocity Zone) : Zone de faible vitesse des ondes sismiques qui marque une transition interne liée à la température.
• Lithosphère : Ensemble croûte + manteau au-dessus de la limite thermique, caractérisé par un comportement cassant/rigide.
• Asthénosphère : Partie du manteau située sous la limite thermique, où les roches sont ductiles et déformables tout en restant solides.
• Limite thermique : Frontière interne associée à une température donnée, qui correspond à la transition lithosphère–asthénosphère.
• Subduction : Contexte géologique où la lithosphère plonge en profondeur, utilisé pour estimer l’épaisseur de la lithosphère.

📝 Points essentiels

• Les vitesses des ondes sismiques diminuent à partir de 100 km de profondeur.
• La diminution se poursuit sur une épaisseur d’environ 200 km, correspondant à la LVZ.
• La LVZ marque la ligne entre lithosphère et asthénosphère et correspond à une limite thermique.
• À environ 1300 °C, le comportement des péridotites change.
• La lithosphère a un comportement cassant/rigide.
• L’asthénosphère a un comportement ductile : les péridotites y sont déformables mais solides.

💡 Astuce mémo

LVZ = “Low Velocity” : à partir de 100 km, transition vers ductile ; ~1300 °C.

📖 6. Transfert thermique et géotherme terrestre

🔑 Notions clés & Définitions

• Géotherme terrestre : Courbe/description des variations du gradient géothermique selon les couches traversées.
• Conduction thermique : Mode de transfert de chaleur par passage de proche en proche sans déplacement de matière.
• Convection thermique : Mode de transfert de chaleur par circulation de matière, plus efficace dans les milieux ductiles.
• Gradient géothermique : Variation de la température avec la profondeur, qui change selon le mode de transfert dominant.
• Convection dans le manteau et le noyau externe : Boucles de circulation de matière qui assurent le transfert de l’énergie thermique dans ces zones.

📝 Points essentiels

• Le géotherme montre des variations importantes du gradient géothermique selon les couches traversées.
• Dans la lithosphère, l’évacuation de l’énergie thermique se fait uniquement par conduction.
• La conduction est décrite comme peu efficace, ce qui rend le gradient géothermique fort entre surface et base de la lithosphère.
• Dans le manteau ductile, la convection thermique est bien plus efficace.
• Les matériaux chauds remontent, refroidissent puis redescendent, formant des boucles de circulation appelées convection.
• Des boucles de convection existent aussi dans le manteau et dans le noyau externe pour transférer l’énergie thermique.

💡 Astuce mémo

Lithosphère = conduction (gradient fort) ; manteau ductile = convection (gradient faible).

📖 7. Anomalies thermiques et tomographie sismique

🔑 Notions clés & Définitions

• Anomalie thermique négative : Variation locale de température plus faible que le contexte, associée à un contexte géologique particulier.
• Anomalie thermique positive : Variation locale de température plus élevée que le contexte, associée à un contexte géologique particulier.
• Tomographie sismique : Méthode d’imagerie basée sur les changements de vitesse des ondes pour interpréter des variations de température en profondeur.
• Zone de subduction : Contexte où une lithosphère océanique froide pénètre en profondeur dans un manteau plus chaud.
• Panache de matériaux chauds : Remontée de matière chaude vers la surface, associée à une activité volcanique intense dans le modèle décrit.

📝 Points essentiels

• Des variations localisées de température existent à l’intérieur du globe.
• Les anomalies thermiques sont liées à un contexte géologique particulier.
• En zone de subduction, la lithosphère océanique froide pénètre en profondeur dans le manteau chaud : anomalie thermique négative.
• Des anomalies positives peuvent apparaître quand un panache de matériaux chauds remonte vers la surface.
• Les anomalies positives sont associées à une activité volcanique intense (dorsale océanique, point chaud).
• La tomographie sismique interprète les changements de vitesse des ondes comme liés à des modifications de température des couches traversées.

💡 Astuce mémo

Subduction = froid qui plonge → négatif ; panache = chaud qui remonte → positif ; tomographie lit la vitesse.

📊 Tableaux de synthèse

Roches de la croûte : océan vs continent

Zone	Roches dominantes	Position typique
Croûte océanique	Basalte et gabbro	Basalte en surface, gabbro en profondeur
Croûte continentale	Granite	Roche majoritaire de la croûte continentale

Lithosphère vs asthénosphère

Critère	Lithosphère	Asthénosphère
Comportement	Cassant/rigide	Ductile, déformable
État des roches	Solide	Solide
Lien avec LVZ	Au-dessus de la limite thermique	Sous la limite thermique
Température repère	Transition vers ~1300 °C	Sous ~1300 °C

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre l’origine des roches : basalte et gabbro viennent du même magma mais diffèrent par le refroidissement (surface vs profondeur).
2. Croire que la LVZ est une “couche” chimique : elle est présentée comme une limite thermique associée à un changement de comportement des péridotites.
3. Interpréter la disparition des ondes S comme une disparition de toutes les ondes : elle sert ici à déduire que le noyau externe est liquide.
4. Mélanger les profondeurs : Moho (7–10 km océans, ~30 km continents, 50–70 km montagnes) n’est pas Gutenberg (2900 km) ni Lehmann (5150 km).
5. Penser que la convection existe dans la lithosphère : le cours la réserve au manteau ductile (et au noyau externe) alors que la lithosphère évacue par conduction.

✅ Checklist Examen

1. Donner les altitudes moyennes typiques continentales (800 m) et océaniques (−4000 m) et expliquer ce que cela suggère sur la croûte.
2. Citer les roches dominantes de la croûte océanique (basalte, gabbro) et préciser la différence de refroidissement et de position (surface vs profondeur).
3. Citer la roche majoritaire de la croûte continentale (granite).
4. Classer les trois grandes familles de roches (sédimentaires, magmatiques, métamorphiques) et associer à chacune son mécanisme de formation.
5. Expliquer comment les ondes sismiques naissent au foyer et comment P et S servent à sonder la structure interne.
6. Décrire le rôle des changements de milieu (réflexion/réfraction) pour repérer des discontinuités.
7. Identifier les discontinuités majeures et leurs profondeurs : Moho, Gutenberg (~2900 km), Lehmann (~5150 km).
8. Relier la disparition des ondes S à l’état liquide du noyau externe.
9. Décrire la LVZ : début (~100 km), épaisseur (~200 km) et lien avec la limite thermique (~1300 °C).
10. Distinguer lithosphère et asthénosphère par comportement (cassant/rigide vs ductile/déformable) et par position par rapport à la limite thermique.
11. Expliquer les deux modes de transfert thermique : conduction dans la lithosphère (gradient fort) et convection dans le manteau ductile (gradient plus faible).
12. Donner les exemples d’anomalies thermiques : subduction (négative) et panache (positive) et relier ces anomalies à la tomographie sismique via les vitesses d’ondes.