Structure du globe : croûtes, manteau, noyau

1. a)La vitesse des ondes dépend du milieu ; un changement brutal signale une discontinuité, où les ondes sont réfléchies et réfractées. Moho (1909) : au-delà d’une certaine distance, des ondes P réfractées, passées dans un milieu plus rapide (≈ 8 km/s contre ≈ 6), arrivent en premier → croûte sur manteau, Moho vers 30 km sous les continents, 6 à 7 km sous le plancher océanique. Noyau (Gutenberg) : zone d’ombre des ondes P entre 105° et 142°, due à la réfraction vers 2 900 km ; plus d’ondes S directes au-delà de 105° → noyau externe liquide. Graine (Lehmann, 1936) : faibles ondes P dans la zone d’ombre, réfléchies sur un noyau interne, limite vers 5 150 km ; les ondes S s’y propagent (PREM) : graine solide sous l’effet de la pression. Le modèle PREM synthétise vitesses et densité selon la profondeur. Schéma : coupe du globe avec les enveloppes, les profondeurs et des rais sismiques. (3)
2. b)Un séisme est la libération brutale d’énergie lors de la rupture de roches soumises à des contraintes, le long d’une faille ; l’énergie part du foyer en ondes. Les ondes P (compression) sont plus rapides que les ondes S (cisaillement) : leur écart grandit avec la distance. Avec $\Delta t=t_S-t_P$, on obtient $d=\Delta t\times {\displaystyle \frac{V_P\times V_S}{V_P-V_S}}$. Chaque station donne une distance, donc un cercle ; deux cercles se coupent en deux points ; avec trois stations, l’épicentre est à l’intersection des trois cercles. (3)

Piège — Attribuer la zone d’ombre des ondes P au liquide : c’est l’absence d’ondes S qui prouve que le noyau externe est liquide.

1. a)X : 90 − 50 = 40 cm³ ; 116 ÷ 40 = 2,9 → microlitique, pyroxènes et plagioclases : un basalte, surface de la croûte océanique. Y : 80 − 50 = 30 cm³ ; 99 ÷ 30 = 3,3 → riche en olivine : une péridotite, du manteau. (1,5)
2. b)Même magma, refroidissement différent : rapide au contact de l’eau de mer pour le basalte (microlites et verre, structure microlitique) ; lent en profondeur pour le gabbro (grands cristaux jointifs, structure grenue). (1,5)
3. c)Aller-retour : 6,5 × 2,0 = 13 km ; 13 ÷ 2 = 6,5 km, épaisseur typique d’une croûte océanique. Le Moho passe entre les gabbros (croûte) et les péridotites (manteau). (1,5)
4. d)Croûte continentale : granites, ≈ 30 km, densité ≈ 2,7, jusqu’à ≈ 4 milliards d’années ; croûte océanique : basalte et gabbro, 6 à 7 km, ≈ 2,9 à 3,0, moins de 200 millions d’années. Ce contraste se traduit par une répartition bimodale des altitudes : continents vers +840 m, fonds océaniques vers −3 800 m ; la croûte épaisse et légère est la plus haute. (1,5)

Méthode — Écho vertical : la durée mesurée est un aller-retour, on divise par 2.

1. a)0-80 km : (1 290 − 10) ÷ 80 = 1 280 ÷ 80 = 16 °C/km. 80-380 km : (1 410 − 1 290) ÷ 300 = 120 ÷ 300 = 0,4 °C/km. Dans la lithosphère rigide, la chaleur passe par conduction, peu efficace : fort gradient. Dessous, le manteau ductile est animé de convection, qui transporte efficacement la chaleur et homogénéise la température : gradient très faible. (2)
2. b)$V_S$ baisse de 4,55 à 4,36 km/s mais ne s’annule pas : les ondes S, arrêtées par les liquides, traversent → manteau solide. C’est la zone de faible vitesse : la température y frôle le début de fusion de la péridotite, une fusion partielle de moins de 1 % la rend moins rigide. La base de la lithosphère est au sommet de cette zone, vers 80 à 100 km, là où la température atteint ≈ 1 300 °C (1 290 °C à 80 km). (2)
3. c)Point chaud : (4,29 − 4,40) ÷ 4,40 × 100 = −0,11 ÷ 4,40 × 100 = −2,5 % → ondes plus lentes, manteau plus chaud. Craton : (4,51 − 4,40) ÷ 4,40 × 100 = 0,11 ÷ 4,40 × 100 = +2,5 % → ondes plus rapides, plus froid (lithosphère épaisse). Écarts faibles : quelques pour cent. (2)
4. d)Le manteau est solide mais ductile et chaud : il convecte lentement. Sous le point chaud, de la matière chaude, moins dense, monte (anomalie lente) ; sous le craton, la roche froide est plus dense (anomalie rapide) : ce sont des hétérogénéités thermiques du manteau. Cette convection, efficace, explique le gradient très faible sous la lithosphère, qui ne transmet la chaleur que par conduction. (2)

Piège — Une anomalie lente ne veut pas dire « fondu » : les ondes S passent toujours.