Les reliefs de la Terre

Introduction 

• Depuis Eratosthène (IIIème siècle av. J.C.), on sait que la Terre est une sphère de 40 000km de circonférence
• Depuis Louis XV, on sait qu'elle est légèrement aplatie aux pôles
• Depuis les grandes explorations du XIXème siècle, on connaît la morphologie des continents et des océans
• Depuis le creusement des premières mines, on sait que la température augmente avec la profondeur (+ 1 degré tous les 30 mètres)
• Vers 1800, on croit à l'existence d'un noyau central en feu grâce à l'observation des volcans 
• Depuis 1893, la sismologie permet une radiographie de la Terre, on sait que la Terre est solide → rejet de la théorie de Wegener car les continents ne peuvent pas dériver sur un globe solide

Le modèle actuel de la tectonique des plaques s'est construit en plusieurs dizaines d'années au cours du XXème siècle.

Jusqu'au début du XXème siècle, les géologues attribuaient aux continent une position fixe.

Mais en 1912, un scientifique Allemand, Alfred Wegener, remet cette vision en cause.

I - LA THÉORIE DE LA DÉRIVE DES CONTINENTS

1) Les Arguments de Wegener

• Arguments morphologiques : Côtes qui s'emboitent
• Arguments géologiques : Répartition des blocs continentaux 
• Arguments biologiques : Présence de mêmes espèces animales et végétales sur différents continents 
• Arguments paléoclimatiques : Traces de glaciation sur différents continents
• Arguments paléontologiques : Présence de mêmes espèces de fossiles
• Analyse statistique des reliefs à la surface du globe :

A l'époque de Wegener, les géologues expliquent la formation d'un océan entre deux continents par le procédé de contraction thermique : 

II. Phase stellaire = La Terre est une boule de Magma

III. Phase planétaire : Elle refroidit en surface ; formation des roches primitives

IV. Terre plissée et fracturée : Le refroidissement entraîne une contraction de la Terre ; création de reliefs (chaînes de montagnes) et d'effondrements (bassins océaniques)

Si la théorie de la contraction de la Terre était exacte, alors l'analyse des reliefs à la surface du globe devrait révéler une distribution des altitudes de types gaussien (courbe pointillés roses)

Fin XIXème siècle, grâce à la pose de câbles transocéaniques, on prend connaissance des fonds océaniques et on rassemble les valeurs consignées pour former un histogramme.

→ L'hypothèse de contraction thermique et d'effondrement de blocs continentaux est réfutée.

Airy propose au milieu de XIXème siècle, un modèle expliquant les différences d'altitudes en surface de la terre

avec d2 > d1

Pour qu'il y ait un équilibre, les colonnes de la croûte s'enfoncent plus ou moins dans le manteau.

La surface de compensation signifie que la masse de chaque colonne représenté plus haut est la même en tout point.

(d2 x h1 x S) + (d1 x h'1 x S) = (d2 x h2 x S) + (d1 x h'2 x S)

Selon le schéma suivant :

Les continents reposent sur un substratum plus dense qui affleure au niveau des océans

On sait que la croûte des continents est essentiellement faite de granite. D'aute part, un volcan en éruption "ramone" les parois solides des cheminées qui prennent naissance dans le manteau → Les échantillons du manteau atteignent la surface, ils sont constitués de Péridotite

La roche de la croûte terrestre et du manteau

• texture grenue : grains, gros cristaux désordonnés, bien visibles
  
• texture microlitique : peu de cristaux, petits, peu visibles
  
• Roche holocristalline (holo = entièrement)
  
• Roche hémicristalline (hémi = à moitié)
  

• Plagioclase : cristaux blancs
• Orthoses : cristaux roses
• Olivine : cristaux verts
• Pyroxène : cristaux noirs
• Biotite : petits cristaux noirs brillants
• Quartz : cristaux gras

• Phénocristaux : gros cristaux créés à très haute température
• Microlites : petits cristaux créés lors du refroidissement

L'observation d'un échantillon de roche donne quelques informations sur la texture et sa composition :

• Une roche de couleur claire est riche en silice ; de couleur sombre est pauvre en silice
• Une roche de texture grenue a été magmatique et son refroidissement s'est fait lentement, en profondeur → Roche plutonique
• Une roche de texture microlitique a été magmatique et son refroidissement a été brutal lors de l'éruption qui a figé la lave en pâte amorphe non cristallisée : le verre → Roche volcanique

Exercice d'application : On applique la théorie d'Airy approuvée par Wegner

• Soit h'1 = 30 km, on est au niveau d'une plaine
  
• Soit h'2 = 33 km, on est au niveau d'une montagne qui culmine à une hauteur de 3 km (au dessus de la plaine)
• Soit h1 = h2 = x 
• Soit d1 = 2,6
• Soit d2 = 3,3

Representer schématiquement les données en se basant sur le modèle d'Airy : calculer la valeur de x

On applique la théorie d'Airy :

Soit :

( h'1 x d1 ) + ( x x d2 ) = ( h'2 x d1 ) + ( x x d1 )

(AN)     ( 30 x 2,6 ) + ( x x 3,3 ) = ( 33 x 2,6 ) + ( x x 2,6 )

78 + 3,3x = 85, 8 + 2,6x

3,3x - 2,6x = 85,8 - 78

0,7x = 7,8

x = 11,1 km

Confrontons maintenant les deux théories : Fixistes et Mobilistes

• SIAL (continents) = riche en SIlice et ALuminium
• SIMA (océans) = riche en SIlice et MAgnésium

• Théorie des fixistes : des mouvements verticaux expliquent la formation des océans entre les continents
• Théorie des mobilistes : des mouvement horizontaux expliquent la formation des océans entre les continents

A partir de l'observation des schémas ci-dessus, relever un point sur lequel Wegener s'est trompé : Wegener n'avait pas pris en compte la présence de Basalte au fond des océans

                                 CONTINENT                        OCÉAN

Bilan : Wegener avait raison quant à la manière dont se sont formés les océans, ainsi que dans la visualisation d'un seul gros continent (la Pangée) duquel se sont détachés les continents actuels, qui ont ensuite dérivé.

Mais Wegener n'a toujours pas trouvé le moteur qui fait bouger ces continents.

II - LES APPORTS DE LA SISMOLOGIE SUR LES CONNAISSANCES DE LA STRUCTURE INTERNE DE LA TERRE

Un séisme est une rupture brutale d'une zone de l'écorce terrestre → le foyer où les roches ont été soumises à de fortes contraintes, ou de fortes tensions.

L'énergie emmagasinée dans les roches est alors instantanément libérée et elle se dissipe sous forme de chaleur au niveau du foyer, et d'ondes élastiques qui se propagent dans toutes les directions.

Captées en différents points du globe par des sismomètres, ces ondes nous renseignent sur la nature des matériaux qui constituent le globe.

En connaissant le moment de rupture (le moment où les ondes ont commencé à se propager) et la distance entre le foyer et le sismomètre, on peut déduire la vitesse de ces ondes.

v = d / Δt

En appliquant les lois de l'accoustique et de l'optique, et grâce au calcul de la vitesse de ces ondes, on peut en déduire la rigidité des milieux traversés, et par analogie, leur nature.

1) Les différents types d'ondes sismiques

• Ondes P (Premières) → Ondes longitudinales (6 km/s)

exemple : ressort

• Ondes S (Secondes) → Ondes transversales

exemple : corde

• Ondes L (Love) → Ondes d'ondulations

• Ondes P → plus rapide, faible amplitude, peu dévastatrice 
• Ondes S → vitesse moyenne, amplitude considérable, dévastatrice
• Ondes L → plus lente, forte amplitude, très dévastatrice 
  

• Ondes P → se propagent dans toutes les directions
• Ondes S → se propagent dans toutes les directions
• Ondes L → ne se propagent que vers la surface

• Ondes P → se propagent dans les milieux solides, liquides et gazeux
• Ondes S → se propagent dans les milieux solides

• Foyer = zone de rupture des roches
  
• Épicentre = point de surface situé à l'aplomb du foyer
  

2) Mise en évidence du Moho 

Diaporama visionné en cours : 

En étudiant les ondes sismiques P et S générées lors du séisme du 8 octobre 1909 en Croatie, le géologue yougoslave Mohorovičić constate l'existence d'une surface de discontinuité, située à une cinquantaine de kilomètres de profondeur, marquée par une brusque augmentation de la vitesse des ondes sismiques : au-dessus de cette limite, ces ondes se propagent à des vitesses faibles alors qu'au-dessous les vitesses sont plus élevées.

Le milieu supérieur se nomme la croûte ou écorce terrestre, le milieu inférieur, le manteau. En l'honneur du géologue yougoslave, la discontinuité est appelée le Moho ou discontinuité de Mohorovičić.

---- Ondes réfractées : Arrive en première position → Le manteau est d'une matière différente de celle de la croûte : la vitesse de l'onde est acceléré lorsqu'elle passe dans celui ci

---- Ondes directes : Arrive en deuxième position → Reste dans la croûte et parcourt une trajectoire directe

---- Ondes réfléchies : Arrive en dernière position → La terre est constituée de plusieurs couches, en étant réfléchie, l'onde parcourt une plus grande distance

Les ondes étudiées ont permis de connaître l'existence et la composition de certaines couches terrestres

3 - La nature des roches traversées par les ondes

Les études sismiques et pétrographiques permettent de caractériser et de limiter deux grands types de croûtes terrestres : une croûte océanique essentiellement formée de basalte et une croûte continentale constituée entre autres de granite.
La croûte repose sur le manteau, constitué de péridotite.

TP Audacity -

Matériel : 

•  2 capteurs piézoéléctriques
• Logiciel Audacity
• Barre de granite
• Barre de basalte

Instructions :

• Placer les capteurs aux deux extrémités de la barre (maintenir pas des élastiques, flèches rouges vers le bas

• Démarrer le programme Audacity
• Cliquer sur "Vue mère" : tester les capteurs pour vérifier d et g
• Baisser le volume d'entrée à 0,1 (micro)
• "Projet à" en bas à gauche : 96 000

• Lancer l'enregistrement sur Audacity
• Frapper avec un objet métallique l'extrémité de la barre (propagation des ondes P)
• Stopper l'enregistrement
• Récupérer la valeur Δt 

• Calculer la vitesse v = d / Δt

Résultats :

Nous avons obtenus les résutats suivants 

Barre de Granite: 

• Durée Δt = 0,22 s
• Distance d = 0,50 km
• Vitesse v = 0,22 / 0,50 = 2,27 km/s

Barre de Basalte:

• Durée Δt = 0,31
• Distance d = 0,50
• Vitesse v = 0,31 / 0,50 = 1,6 km/s

→ Les ondes se déplacent plus rapidement dans le Granite (croûte continentale) que dans le Basalte (croûte océanique)

4 - Structure interne de la Terre 

Les facteurs responsables des variations de vitesse des ondes étudiées plus haut :

• Profondeur du milieu
• Densité du milieu
• État du milieu (solide, liquide, gazeux)

• Accrétion = Constitution et accroissement d'un corps, d'une structure ou d'un objet par apport et/ou agglomération de matière 
  
• Moho = Discontinuité entre la croûte continentale et le manteau
  
• Discontinuité = Limites entre deux milieux aux propriétés chimiques, physiques ou chimicophysiques différentes. / variation brutale des caractéristiques des ondes sismiques
  

Plus l'on va vers le centre de la Terre, plus la température augmente → Due à la radioactivité :

Les désintégrations de particules radioactives vont libérer de l'énergie et former de la chaleur

La pression va alors empêcher les éléments de fondre au contact de la chaleur (La pression l'emporte toujours)

Mais on observe une légère variation, une zone dans laquelle la chaleur l'emporte un petit peu sur la pression : la Low Velocity Zone LVZ

Cette Low Velocity Zone, est ductile (dure mais peux s'étirer sans se rompre) car la chaleur l'emportant sur la pression, les éléments fondent un petit peu. C'est cette zone qui va permettre aux plaques de bouger. 

Mettez de chaque côté de cette LVZ une plaque rigide, le fait que la LVZ soit ductile va permettre aux plaques de bouger → les plaques peuvent glisser