Lycée · 1ʳᵉ · Spécialité SVT
Structure interne du globe terrestre
Méthodes d'exploration, composition et organisation des enveloppes terrestres — programme Spécialité SVT 1re
À propos de cette page
Pourquoi 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.
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)
Les 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 |
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).
Les 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.
- 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).
La 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 |
Le 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.
Le 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 |
Bilan : 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.
| 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 |
- 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).
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