Structure interne du globe terrestre

La Terre est une planète dynamique dont la structure interne est complexe et hétérogène. Les géosciences utilisent diverses méthodes pour sonder l'intérieur de notre planète, notamment l'étude des roches de surface, la sismologie et l'analyse thermique, afin de comprendre sa dynamique.

Chapitre 1 - La structure du globe terrestre

I- Des contrastes entre les continents et les océans

L'observation des altitudes sur Terre révèle une distribution bimodale, avec deux niveaux préférentiels : environ 100 mètres au-dessus du niveau de la mer pour les continents et environ 4700 mètres sous le niveau de la mer pour les fonds océaniques. Cette distinction suggère des différences géologiques fondamentales entre les croûtes continentale et océanique.

• La croûte continentale est moins dense (2,7 à 2,9) que la croûte océanique (3), ce qui explique son élévation plus importante.

• Ces différences de densité sont dues à des compositions minéralogiques distinctes.

Composition de la croûte continentale

La croûte continentale présente une grande hétérogénéité en surface (roches magmatiques, sédimentaires, métamorphiques). Cependant, en profondeur, le granite est la roche la plus représentative.

• Le granite est une roche magmatique plutonique (formée en profondeur).

• Il est composé principalement de quartz (riche en silice), de plagioclases (minéraux alumino-calco-sodiques), de feldspath potassique (minéraux alumino-silicatés potassiques) et de micas (biotite ou muscovite).

• Ces minéraux sont bien cristallisés, conférant au granite une structure grenue.

Composition de la croûte océanique

La croûte océanique est majoritairement composée de basalte et de gabbro.

• Le basalte est une roche magmatique volcanique (formée en surface). Il est constitué de pyroxènes (silicates ferromagnésiens) et de plagioclases (silicates alumino-calco-sodiques sous forme de baguettes).

• La présence de plagioclases en baguettes et de verre (matière non cristallisée) confère au basalte une structure microlithique.

• Le gabbro est une roche magmatique plutonique, chimiquement équivalente au basalte mais formée en profondeur et ayant une structure grenue.

Le basalte, le gabbro et le granite sont toutes des roches magmatiques, formées à partir d'un magma. Les roches magmatiques formées en profondeur sont dites plutoniques (granite, gabbro), tandis que celles formées en surface sont volcaniques (basalte).

II- L'apport des études sismologiques à la connaissance du globe terrestre

La sismologie est cruciale pour comprendre la structure interne de la Terre grâce à l'analyse de la propagation des ondes sismiques.

A- Définition d'un séisme et propriétés des ondes sismiques

Un séisme est la libération brutale d'énergie due à la rupture de roches (failles) soumises à des contraintes. Cette libération génère des ondes sismiques qui se propagent.

• Ondes de surface : Elles sont les plus destructrices mais se propagent localement.

• Ondes de volume : Elles se propagent à l'intérieur du globe.

  • Ondes P (primaires, de compression) : Les plus rapides, elles se propagent dans tous les milieux (solides et liquides).

  • Ondes S (secondes, de cisaillement) : Moins rapides que les ondes P, elles ne se propagent pas dans les milieux liquides.

La vitesse et la trajectoire des ondes sismiques dépendent des propriétés du milieu traversé :

• Plus un milieu est dense, plus les ondes sont rapides.

• Plus un milieu est ductile (moins rigide), plus les ondes sont ralenties.

B- La mise en évidence de discontinuités

Les changements de vitesse des ondes sismiques révèlent des discontinuités qui délimitent les enveloppes internes du globe.

• Discontinuité de Mohorovicic (Moho) : Sépare la croûte du manteau.

  • La croûte continentale est plus épaisse (environ 30 km) que la croûte océanique (environ 10 km).

• Discontinuité de Gutenberg : Sépare le manteau du noyau externe liquide.

• Discontinuité de Lehmann : Sépare le noyau externe liquide du noyau interne solide.

Les séismes profonds au niveau des fosses océaniques illustrent la différence de comportement entre une lithosphère cassante et une asthénosphère plus ductile.

La lithosphère est l'enveloppe rigide la plus externe de la Terre, comprenant la croûte et la partie supérieure du manteau. L'asthénosphère est la partie ductile du manteau située sous la lithosphère, caractérisée par une zone de ralentissement des ondes sismiques (LVZ - Low Velocity Zone).

C- Le modèle PREM

Le Modèle de Référence Préliminaire de la Terre (PREM - Preliminary Reference Earth Model) est construit à partir des données de transmission des ondes sismiques. Ce modèle décrit la variation des propriétés physiques (vitesse des ondes, densité) en fonction de la profondeur.

• Les ondes de volume sont réfléchies et réfractées en traversant des milieux de densité différente.

• Une zone d'ombre pour les ondes sismiques, située entre 105° et 142° de l'épicentre, est observée. Elle est due à la double réfraction des ondes P à la discontinuité du noyau, et à l'absence de propagation des ondes S dans le noyau externe liquide.

Le modèle PREM permet de distinguer la lithosphère (rigide, incluant la croûte et la partie supérieure du manteau) de l'asthénosphère (ductile, partie du manteau sous la lithosphère, caractérisée par une zone de faible vitesse des ondes, la LVZ).

III- L'apport des études thermiques pour l'étude de la structure interne du globe

Les études thermiques complètent les données sismologiques pour comprendre la dynamique interne.

• Le gradients géothermique représente l'augmentation de la température avec la profondeur. Il est d'environ près de la surface.

• Le profil thermique interne de la Terre varie en fonction des modes de transfert thermique :

  • La conduction : Transfert de chaleur sans déplacement de matière (

prédomine dans la lithosphère).

• La convection : Transfert de chaleur avec déplacement de matière (prédomine dans le manteau et le noyau externe). Le manteau est animé de mouvements de convection.

La tomographie sismique

La tomographie sismique est une technique d'imagerie qui utilise les variations de vitesse des ondes sismiques pour créer une "échographie" de l'intérieur de la Terre. Ces variations sont interprétées comme des hétérogénéités thermiques :

• Les ondes sismiques sont ralenties dans les régions plus chaudes.

• Les ondes sismiques sont accélérées dans les régions plus froides.

Ces anomalies thermiques sont associées à des structures mantelliques dynamiques telles que les dorsales, les zones de subduction et les points chauds.

Bilan: La structure du globe terrestre