À propos de cette page
Ce cours de spécialité svt en première sur « Structure interne du globe terrestre » suit le programme officiel de spécialité svt de première. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Pourquoi ne peut-on pas observer directement l'intérieur du globe ?, Les ondes sismiques, outils d'exploration, Les discontinuités sismiques et les enveloppes terrestres, La croûte terrestre : océanique et continentale. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de première à réussir en spécialité svt.
Au programme
1 · Pourquoi ne peut-on pas observer directement l'intérieur du globe ?
2 · Les ondes sismiques, outils d'exploration
3 · Les discontinuités sismiques et les enveloppes terrestres
4 · La croûte terrestre : océanique et continentale
5 · Le manteau : composition et comportement rhéologique
6 · Le noyau : structure et composition
7 · Bilan : un modèle PREM de la Terre
1Pourquoi ne peut-on pas observer directement l'intérieur du globe ?
La Terre a un rayon moyen d'environ 6 371 km. Le forage le plus profond jamais réalisé (Kola, Russie) n'a atteint que 12 km, soit moins de 0,2 % du rayon terrestre. Il est donc techniquement impossible d'observer directement les couches profondes.
Attention ! La pression et la température augmentent rapidement en profondeur (gradient géothermique ≈ 30 °C/km en moyenne dans la croûte), ce qui rend tout forage profond extrêmement difficile.
Les scientifiques ont donc recours à des méthodes indirectes :
- L'analyse des ondes sismiques (principale méthode)
- L'étude des météorites (analogue de la composition primitive de la Terre)
- Les mesures de densité, de gravité et de moment d'inertie du globe
- L'étude des roches remontées par les volcans (xénolithes du manteau)
Astuce. Les xénolithes sont des fragments de roches profondes arrachés et transportés jusqu'en surface par des magmas volcaniques. Ils permettent d'avoir un échantillon direct du manteau supérieur.
2Les ondes sismiques, outils d'exploration
Lors d'un tremblement de terre, l'énergie libérée se propage sous forme d'ondes sismiques dans toutes les directions. On distingue deux types d'ondes de volume :
| Type | Nom complet | Nature | Milieux traversés | Vitesse |
|---|
| Ondes P | Ondes Primaires (compression) | Longitudinales (compression-dilatation) | Solides + Liquides + Gaz | 5 – 14 km/s |
| Ondes S | Ondes Secondaires (cisaillement) | Transversales (cisaillement) | Solides uniquement | 3 – 8 km/s |
Règle. La vitesse des ondes sismiques dépend des propriétés du milieu traversé : densité $\rho$ et modules d'élasticité. Pour les ondes P : $V_P = \sqrt{\frac{K + \frac{4}{3}\mu}{\rho}}$ où $K$ est le module de compressibilité et $\mu$ le module de cisaillement. Pour les ondes S : $V_S = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}}$. Dans un fluide $\mu = 0$, donc $V_S = 0$.
Les stations sismographiques réparties sur tout le globe enregistrent ces ondes. En analysant les temps d'arrivée et les trajets, on reconstitue la structure interne (méthode de tomographie sismique).
Exemple. Un séisme à 100 km de profondeur : les ondes P arrivent en premier sur les sismographes (∼ 2 min avant les ondes S pour une station à 1 000 km). Cet écart P-S permet de calculer la distance à l'épicentre.
3Les discontinuités sismiques et les enveloppes terrestres
Lorsque les ondes sismiques traversent une discontinuité (changement brusque de milieu), elles subissent réflexion et réfraction, et leur vitesse change brutalement. Ces discontinuités définissent les enveloppes terrestres.
Règle — Discontinuités majeures.- Discontinuité de Mohorovičić (Moho) : séparation croûte / manteau. Profondeur ≈ 7 km (croûte océanique) à 70 km (croûte continentale épaissie). Brusque augmentation de $V_P$ de ∼ 7 km/s à ∼ 8 km/s.
- Discontinuité de Gutenberg (à 2 891 km) : manteau / noyau. Les ondes S disparaissent (noyau externe liquide). $V_P$ chute de 13,7 km/s à ∼ 8,1 km/s.
- Discontinuité de Lehmann (à 5 150 km) : noyau externe / noyau interne. Les ondes S réapparaissent dans le noyau interne (solide).
Ces discontinuités révèlent une organisation concentrique du globe : les couches sont empilées de la plus légère (croûte) à la plus dense (noyau de fer-nickel).
Astuce. Retiens l'ordre avec la phrase « Croûte-Moho-Manteau-Gutenberg-Noyau-Lehmann-Graine ». La graine est le nom courant du noyau interne solide.
4La croûte terrestre : océanique et continentale
La croûte terrestre est la couche la plus superficielle du globe. On distingue deux types :
| Caractéristique | Croûte océanique | Croûte continentale |
|---|
| Épaisseur | 5 – 10 km | 25 – 70 km |
| Densité | ∼ 3,0 | ∼ 2,7 |
| Roche principale | Basalte / Gabbro | Granite / Gneiss |
| Composition | Riche en Mg, Fe (mafique) | Riche en Si, Al (sialique) |
| Âge maximal | ∼ 200 Ma | ∼ 4 Ga |
Règle — Isostasie. Les différences de densité entre croûte continentale (légère) et océanique (dense) expliquent leurs altitudes différentes. Le principe d'isostasie prédit l'équilibre gravitationnel : les zones moins denses « flottent » plus haut sur le manteau asthénosphérique.
Exemple. La croûte continentale sous les Alpes peut atteindre 55 km d'épaisseur (« racine crustale »), alors qu'elle est de 30 km en moyenne sous les plaines. Ce relief s'explique par l'isostasie.
Attention ! Ne pas confondre croûte et lithosphère. La lithosphère inclut la croûte + le manteau lithosphérique (partie rigide supérieure du manteau). L'asthénosphère est la partie ductile du manteau sous-jacente.
5Le manteau : composition et comportement rhéologique
Le manteau représente environ 84 % du volume terrestre (profondeur 70 à 2 891 km). Sa composition est dominée par des roches ultramafiques riches en olivine et pyroxène : la péridotite (et sa version partiellement hydratée, la serpentinite).
On distingue :
- Manteau supérieur (70 – 670 km) : péridotites à olivine. Inclut l'asthénosphère (100–300 km) qui se comporte comme un fluide visqueux à long terme.
- Manteau inférieur (670 – 2 891 km) : les minéraux sont transformés par les hautes pressions en formes denses (perovskite, bridgmanite). Vitesse des ondes P ≈ 11-14 km/s.
Règle — Comportement rhéologique. À court terme (séismes), le manteau est rigide (les ondes S le traversent). À long terme (millions d'années), il se comporte comme un fluide visqueux : c'est la convection mantellique, moteur de la tectonique des plaques.
Astuce. La distinction lithosphère/asthénosphère est mécanique (rigide/ductile), tandis que la distinction croûte/manteau est compositionnelle (chimique). Ces deux découpages ne coïncident pas forcément.
Exemple. La tomographie sismique révèle des panaches mantelliques chauds (zones à vitesses sismiques faibles) sous les points chauds volcaniques comme Hawaii ou La Réunion.
6Le noyau : structure et composition
Le noyau s'étend de 2 891 km à 6 371 km (centre de la Terre). Il est composé essentiellement de fer (Fe) et de nickel (Ni), avec une densité de 10 à 13.
Preuves de cette composition :
- La densité globale de la Terre (≈ 5 500 kg/m³) est bien supérieure à celle des roches de surface (∼ 2 700-3 000 kg/m³) : il faut un noyau très dense.
- Les météorites ferreuses (sidérites) ont une composition Fe-Ni similaire à ce que l'on attend du noyau.
- Le champ magnétique terrestre est engendré par les courants de convection dans le noyau externe liquide (effet dynamo).
| Partie | Profondeur | État | T (°C) | Caractéristique |
|---|
| Noyau externe | 2 891 – 5 150 km | Liquide | ∼ 3 700 – 5 000 | Ondes S absentes ; dynamo magnétique |
| Noyau interne (graine) | 5 150 – 6 371 km | Solide | ∼ 5 000 – 6 000 | Ondes S présentes ; fer cristallisé |
Attention ! Le noyau interne (graine) est solide malgré ses très hautes températures, car la pression y est si immense (∼ 360 GPa) qu'elle force le fer à rester à l'état solide (point de fusion relevé par la pression).
7Bilan : le modèle PREM de la Terre
Le modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model, Dziewonski & Anderson, 1981) est le modèle de référence actuel de la structure interne du globe. Il synthétise toutes les données sismologiques mondiales pour donner, en chaque point du rayon terrestre, la densité, la pression et les vitesses des ondes P et S.
Règle — Bilan des enveloppes.| Enveloppe | Profondeur | État | Composition | Densité |
|---|
| Croûte océanique | 0–10 km | Solide | Basalte/Gabbro | ∼ 3,0 |
| Croûte continentale | 0–70 km | Solide | Granite/Gneiss | ∼ 2,7 |
| Manteau supérieur | 70–670 km | Solide (ductile) | Péridotite | 3,3–3,9 |
| Manteau inférieur | 670–2891 km | Solide (ductile) | Perovskite/Bridgmanite | 4,0–5,6 |
| Noyau externe | 2891–5150 km | Liquide | Fe-Ni fondu | 10–12 |
| Graine (noyau interne) | 5150–6371 km | Solide | Fe-Ni cristallisé | 12–13 |
Astuce — méthode à retenir. Pour un sujet de bac sur la structure du globe, savoir : (1) le nom des discontinuités et leur profondeur ; (2) le comportement des ondes S (disparition = liquide) ; (3) les roches caractéristiques de chaque enveloppe ; (4) les preuves indirectes de la composition du noyau.
★À retenir
À retenir :
• Le globe est exploré indirectement par les ondes sismiques P (toutes enveloppes) et S (solides uniquement).
• Trois discontinuités majeures : Moho (croûte/manteau), Gutenberg (manteau/noyau), Lehmann (noyau externe/graine).
• La croûte est de deux types : océanique (basalte, dense, mince) et continentale (granite, légère, épaisse).
• Le manteau est en péridotite ; il est rigide à court terme, ductile à long terme.
• Le noyau externe est liquide (Fe-Ni) → génère le champ magnétique. La graine est solide malgré les T élevées (forte pression).
• Modèle de référence : PREM (1981).