iv - 4 anomalies gravimétriquespageperso.univ-brest.fr/~grigne/cours/l3biostu... · • le...
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IV - 4 Anomalies gravimétriques
Relief non compensé
• Air libre : AAL > 0
• Bouguer : AB = 0
Relief compensé
• Air libre : AAL = 0
• Bouguer : AB < 0
◮ Anomalie de Bouguer : toutes les anomalies liées à la croûte
connue sont corrigées → on voit les anomalies sous le Moho
moyen
C.Grigne - UE Terre Profonde 170
IV - 4 Anomalies gravimétriques
Dorsales
¥ Anomalie à l’air libre (Free air) :
• Faible amplitude (-20 à +20 mGal)
• Correspond aux reliefs
• A grande longueur d’onde : indique qu’il y a équilibre isostatique(pas le cas dans l’Atlantique Nord → Raisons ?
- sédiments ?- relief de trop courte longueur d’onde pour être compensé ?)
C.Grigne - UE Terre Profonde 172
IV - 4 Anomalies gravimétriques
Dorsales
¥ Anomalie à l’air libre (Free air) :
• Faible amplitude (-20 à +20 mGal)
• Correspond aux reliefs
• A grande longueur d’onde : indique qu’il y a équilibre isostatique(pas le cas dans l’Atlantique Nord → Raisons ?
- sédiments ?- relief de trop courte longueur d’onde pour être compensé ?)
¥ Anomalie de Bouguer :
• Décroît du plateau océanique vers la dorsale
◮ Indique un déficit de masse en profondeur
C.Grigne - UE Terre Profonde 172
IV - 4 Anomalies gravimétriques
Dorsales
¥ Anomalie à l’air libre (Free air) :
• Faible amplitude (-20 à +20 mGal)
• Correspond aux reliefs
• A grande longueur d’onde : indique qu’il y a équilibre isostatique(pas le cas dans l’Atlantique Nord → Raisons ?
- sédiments ?- relief de trop courte longueur d’onde pour être compensé ?)
¥ Anomalie de Bouguer :
• Décroît du plateau océanique vers la dorsale
◮ Indique un déficit de masse en profondeur
C.Grigne - UE Terre Profonde 172
IV - 4 Anomalies gravimétriques
Subductions
¥ Anomalie à l’air libre fortement négative au-dessus de la fosse (-300 mGal)
◮ Traduit le déséquilibre isostatique −→ dynamique du manteau
C.Grigne - UE Terre Profonde 175
IV - 4 Anomalies gravimétriques
Subductions
¥ Anomalie à l’air libre fortement négative au-dessus de la fosse (-300 mGal)
◮ Traduit le déséquilibre isostatique −→ dynamique du manteau
¥ Anomalie positive au niveau de l’arc volcanique
◮ Traduit la présence de la plaque en subduction et la transformation de la croûteocéanique en éclogite
C.Grigne - UE Terre Profonde 175
IV - 4 Anomalies gravimétriques
Isostasie : rebond post-glaciaire
• Exemple : entre -80 000 ans et -10 000 ans, la Scandinavie était
couverte de 2.5 km de glace
◮ Surcharge et réponse élastique de la lithosphère
• Réchauffement climatique à -10 000 ans, fonte de la calotte glaciaire
◮ Soulèvement rapide de 50 cm/an à 1 cm/an
C.Grigne - UE Terre Profonde 176
IV - 4 Anomalies gravimétriques
Isostasie : rebond post-glaciaire
• Exemple : entre -80 000 ans et -10 000 ans, la Scandinavie était
couverte de 2.5 km de glace
◮ Surcharge et réponse élastique de la lithosphère
• Réchauffement climatique à -10 000 ans, fonte de la calotte glaciaire
◮ Soulèvement rapide de 50 cm/an à 1 cm/an
C.Grigne - UE Terre Profonde 176
IV - 4 Anomalies gravimétriques
Isostasie : rebond post-glaciaire
• Exemple : entre -80 000 ans et -10 000 ans, la Scandinavie était
couverte de 2.5 km de glace
◮ Surcharge et réponse élastique de la lithosphère
• Réchauffement climatique à -10 000 ans, fonte de la calotte glaciaire
◮ Soulèvement rapide de 50 cm/an à 1 cm/an
C.Grigne - UE Terre Profonde 176
IV - 4 Anomalies gravimétriques
Isostasie : rebond post-glaciaire
• Exemple : entre -80 000 ans et -10 000 ans, la Scandinavie était
couverte de 2.5 km de glace
◮ Surcharge et réponse élastique de la lithosphère
• Réchauffement climatique à -10 000 ans, fonte de la calotte glaciaire
◮ Soulèvement rapide de 50 cm/an à 1 cm/an
◮ Anomalies gravimétriques :
• A l’installation de la calotte glaciaire, avant enfoncement : AAL > 0
• Pendant l’enfoncement : AAL diminue et tend vers zéro,
AB diminue
• Après la fonte des glaces : AAL < 0 et AB tend vers zéro
C.Grigne - UE Terre Profonde 176
Anomalie de Bouguer de la France
Fortdéficit
Fort déficit
Excès
Excès
Faible déficit
C.Grigne - UE Terre Profonde 177
Anomalie de Bouguer de la France
Fortdéficit
Fort déficit
Excès
Excès
Faible déficit
• Fort déficit dans les Alpes etPyrénées :épaississement de la croûte
• Excès de masse dans le Golfe deGascogne et le Golfe du Lion :amincissement de la croûte
• Faible déficit vers Massif Central,Vosges et Pays de Bray : positiondu Moho
C.Grigne - UE Terre Profonde 178
V - Dynamique du Manteau
1) Flux de chaleur
2) Bilan thermique
3) Géotherme
4) Convection thermique
C.Grigne - UE Terre Profonde 179
V - Dynamique du manteau
¥ Variations latérales de densité dans le manteau profond vues par
• la tomographie sismique
• le géoïde
C.Grigne - UE Terre Profonde 180
V - Dynamique du manteau
¥ Variations latérales de densité dans le manteau profond vues par
• la tomographie sismique
• le géoïde
¥ Des variations latérales de densité dans un milieu fluide créent des
déplacements
C.Grigne - UE Terre Profonde 180
V - Dynamique du manteau
¥ Variations latérales de densité dans le manteau profond vues par
• la tomographie sismique
• le géoïde
¥ Des variations latérales de densité dans un milieu fluide créent des
déplacements
◮ Mouvements dans le manteau, dont la manifestation en surface est
la tectonique des plaques
C.Grigne - UE Terre Profonde 180
V - Dynamique du manteau
¥ Variations latérales de densité dans le manteau profond vues par
• la tomographie sismique
• le géoïde
¥ Des variations latérales de densité dans un milieu fluide créent des
déplacements
◮ Mouvements dans le manteau, dont la manifestation en surface est
la tectonique des plaques
¥ Mouvements très lents (quelques cm par an), dans un milieu très
visqueux
C.Grigne - UE Terre Profonde 180
V - 1 Flux de chaleur
¥ Gradient thermiquedT
dzen surface mesuré par des forages :
∼30 K pour 1 km
C.Grigne - UE Terre Profonde 181
V - 1 Flux de chaleur
¥ Gradient thermiquedT
dzen surface mesuré par des forages :
∼30 K pour 1 km
¥ Flux de chaleur : q = kdT
dzk : conductivité thermique (W.m−1.K−1)
q : W.m−2
C.Grigne - UE Terre Profonde 181
V - 1 Flux de chaleur
¥ Gradient thermiquedT
dzen surface mesuré par des forages :
∼30 K pour 1 km
¥ Flux de chaleur : q = kdT
dzk : conductivité thermique (W.m−1.K−1)
q : W.m−2
C.Grigne - UE Terre Profonde 181
V - 1 Flux de chaleur
¥ Flux de chaleur important au niveau des dorsales et des chaînes de
montagne récentes
¥ Valeurs les plus faibles au-dessus des cratons anciens et des vieux
fonds océaniques
¥ Distribution complexe du flux de chaleur au-dessus des continents :
dépend de l’âge de la croûte, de la concentration en éléments
radioactifs, de l’épaisseur de la croûte...
¥ Distribution simple au niveau océanique : refroidissement en fonction
de l’âge de la lithosphère
◮ Flux océanique modélisé par un refroidissement par conduction
C.Grigne - UE Terre Profonde 182
V - 1 Flux de chaleur océanique
¥ Equation de la chaleur pour la conduction :
ρCp∂T
∂t= k
∂2T
∂z2
8
>
>
<
>
>
:
ρ : masse volumique (kg.m−3)
Cp : capacité calorifique (J.K−1.kg−1)
k : conductivité thermique (W.K−1.m−1)
C.Grigne - UE Terre Profonde 183
V - 1 Flux de chaleur océanique
¥ Equation de la chaleur pour la conduction :
ρCp∂T
∂t= k
∂2T
∂z2
8
>
>
<
>
>
:
ρ : masse volumique (kg.m−3)
Cp : capacité calorifique (J.K−1.kg−1)
k : conductivité thermique (W.K−1.m−1)
¥ En considérant que la plaque océanique se déplace avec une vitesse U , ladistance x par rapport à la dorsale est x = U t, où t est l’âge du plancherocéanique.
C.Grigne - UE Terre Profonde 183
V - 1 Flux de chaleur océanique
¥ Equation de la chaleur pour la conduction :
ρCp∂T
∂t= k
∂2T
∂z2
8
>
>
<
>
>
:
ρ : masse volumique (kg.m−3)
Cp : capacité calorifique (J.K−1.kg−1)
k : conductivité thermique (W.K−1.m−1)
¥ En considérant que la plaque océanique se déplace avec une vitesse U , ladistance x par rapport à la dorsale est x = U t, où t est l’âge du plancherocéanique.
¥ L’équation ci-dessus permet de calculer un gradient thermique à la position x
(ou à l’âge t) tel quedT
dz= (Ti − T0)
ρCp U
πk x
!1/2
= (Ti − T0)
ρCp
πk t
!1/2
8
<
:
Ti : température à la base de la lithosphère(∼ 1300◦ C)
T0 : température en surface(∼ 0◦ C)
C.Grigne - UE Terre Profonde 183
V - 1 Flux de chaleur océanique
¥ Equation de la chaleur pour la conduction :
ρCp∂T
∂t= k
∂2T
∂z2
8
>
>
<
>
>
:
ρ : masse volumique (kg.m−3)
Cp : capacité calorifique (J.K−1.kg−1)
k : conductivité thermique (W.K−1.m−1)
¥ En considérant que la plaque océanique se déplace avec une vitesse U , ladistance x par rapport à la dorsale est x = U t, où t est l’âge du plancherocéanique.
¥ L’équation ci-dessus permet de calculer un gradient thermique à la position x
(ou à l’âge t) tel quedT
dz= (Ti − T0)
ρCp U
πk x
!1/2
= (Ti − T0)
ρCp
πk t
!1/2
8
<
:
Ti : température à la base de la lithosphère(∼ 1300◦ C)
T0 : température en surface(∼ 0◦ C)
0
20
40
60
80
100
120
140
Flu
x de
cha
leur
, mW
.m−2
0 1000 2000 3000 4000
Distance à la ride, km
C.Grigne - UE Terre Profonde 183
V - 1 Flux de chaleur océanique
¥ Equation de la chaleur pour la conduction :
ρCp∂T
∂t= k
∂2T
∂z2
8
>
>
<
>
>
:
ρ : masse volumique (kg.m−3)
Cp : capacité calorifique (J.K−1.kg−1)
k : conductivité thermique (W.K−1.m−1)
¥ En considérant que la plaque océanique se déplace avec une vitesse U , ladistance x par rapport à la dorsale est x = U t, où t est l’âge du plancherocéanique.
¥ L’équation ci-dessus permet de calculer un gradient thermique à la position x
(ou à l’âge t) tel quedT
dz= (Ti − T0)
ρCp U
πk x
!1/2
= (Ti − T0)
ρCp
πk t
!1/2
8
<
:
Ti : température à la base de la lithosphère(∼ 1300◦ C)
T0 : température en surface(∼ 0◦ C)
0
20
40
60
80
100
120
140
Flu
x de
cha
leur
, mW
.m−2
0 40 80 120 160
Age, Ma
C.Grigne - UE Terre Profonde 183
V - 1 Flux de chaleur
¥ Flux de chaleur océanique facile à modéliser, pour des âges jusqu’à ∼80 Ma
(varie en1
p
âge)
◮ Flux de chaleur moyen océanique : proche de 100 mW.m−2
¥ Flux de chaleur continental : plus variable,mais en moyenne proche de 55 mW.m−2
C.Grigne - UE Terre Profonde 184
V - 1 Flux de chaleur
¥ Flux de chaleur océanique facile à modéliser, pour des âges jusqu’à ∼80 Ma
(varie en1
p
âge)
◮ Flux de chaleur moyen océanique : proche de 100 mW.m−2
¥ Flux de chaleur continental : plus variable,mais en moyenne proche de 55 mW.m−2
• Le flux à la surface des continents est lié en grande partie aux élémentsradioactifs présents dans les continents
• Le flux de chaleur venant du manteau à la base des continents estfaible : 10-15 mW.m−2
C.Grigne - UE Terre Profonde 184
V - 1 Flux de chaleur
¥ Flux de chaleur océanique facile à modéliser, pour des âges jusqu’à ∼80 Ma
(varie en1
p
âge)
◮ Flux de chaleur moyen océanique : proche de 100 mW.m−2
¥ Flux de chaleur continental : plus variable,mais en moyenne proche de 55 mW.m−2
• Le flux à la surface des continents est lié en grande partie aux élémentsradioactifs présents dans les continents
• Le flux de chaleur venant du manteau à la base des continents estfaible : 10-15 mW.m−2
◮ Perte totale de chaleur de la Terre : 4.2 × 1013 W = 42 TW
(le soleil dégage 7.1 × 1017 W)
C.Grigne - UE Terre Profonde 184
V - 2 Bilan thermique
30 TW
origine radioact.: 14−15 TW
chaleur primordiale : 20 TW
10−15 mW/m 2
50−60 mW/m212 TW
2
42 TW
100 mW/m
6−7 TW
C.Grigne - UE Terre Profonde 185
V - 2 Bilan thermique
Sur les 42 ± 4 TW :
¥ Au total : 22 TW dûs aux éléments radioactifs (U, Th et K)
• 14-15 TW dans le manteau
• 6-7 TW dans les continents
• Une petite partie dans le noyau ?
¥ Chaleur primodiale due à l’accrétion : 20 TW
• Chaleur latente libérée par cristallisation de la graine
C.Grigne - UE Terre Profonde 186
Dynamique du manteau
1) Flux de chaleur
2) Bilan thermique
3) Géotherme
4) Convection thermique
C.Grigne - UE Terre Profonde 187
V - 3 Géotherme
Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre
en fonction de la profondeur
• Pas d’accès direct à la température en profondeur
C.Grigne - UE Terre Profonde 188
V - 3 Géotherme
Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre
en fonction de la profondeur
• Pas d’accès direct à la température en profondeur
• Par forage, on sait que proche de la surface, la variation est de 30◦/km
• Ce gradient baisse rapidement avec la profondeur : à la base de la lithosphèreT≃ 1300◦ C
C.Grigne - UE Terre Profonde 188
V - 3 Géotherme
Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre
en fonction de la profondeur
• Pas d’accès direct à la température en profondeur
• Par forage, on sait que proche de la surface, la variation est de 30◦/km
• Ce gradient baisse rapidement avec la profondeur : à la base de la lithosphèreT≃ 1300◦ C
• Pour construire le géotherme, on utilise des “points d’ancrage ”, donnés par lestransitions de phase
C.Grigne - UE Terre Profonde 188
V - 3 Géotherme
Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre
en fonction de la profondeur
• Pas d’accès direct à la température en profondeur
• Par forage, on sait que proche de la surface, la variation est de 30◦/km
• Ce gradient baisse rapidement avec la profondeur : à la base de la lithosphèreT≃ 1300◦ C
• Pour construire le géotherme, on utilise des “points d’ancrage ”, donnés par lestransitions de phase
Ol
γOl
β
Olivine αgé
othe
rme
C.Grigne - UE Terre Profonde 188
V - 3 Géotherme
Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre
en fonction de la profondeur
• Pas d’accès direct à la température en profondeur
• Par forage, on sait que proche de la surface, la variation est de 30◦/km
• Ce gradient baisse rapidement avec la profondeur : à la base de la lithosphèreT≃ 1300◦ C
• Pour construire le géotherme, on utilise des “points d’ancrage ”, donnés par lestransitions de phase
Ol
γOl
β
Olivine αgé
othe
rme
C.Grigne - UE Terre Profonde 188
V - 3 Géotherme
Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre
en fonction de la profondeur
• Pas d’accès direct à la température en profondeur
• Par forage, on sait que proche de la surface, la variation est de 30◦/km
• Ce gradient baisse rapidement avec la profondeur : à la base de la lithosphèreT≃ 1300◦ C
• Pour construire le géotherme, on utilise des “points d’ancrage ”, donnés par lestransitions de phase
◮ T≃ 1500◦C à 410 km
◮ T≃ 1650◦C à 660 km
C.Grigne - UE Terre Profonde 188
V - 3 Géotherme
fer
Température, C
660
410
Fusion du
2000 4000 6000
2000
4000
6000
Pro
fond
eur,
km
Gradient adiabatique
Données :
• Gradient en surface
• Points d’ancragedes transitions
• T augmente avec lapression(gradientadiabatique≃ 0.3◦/km)
• Noyau doit être liquide
• Graine doit être solide
C.Grigne - UE Terre Profonde 189
V - 3 Géotherme
fer
Température, C
660
410
Fusion du
2000 4000 6000
2000
4000
6000
Pro
fond
eur,
km
Gradient adiabatique
C.Grigne - UE Terre Profonde 190
V - 3 Géotherme
fer
Pro
fond
eur,
km 2000
4000
6000
Température, C
Gradient adiabatique
660
410
Fusion du
2000 4000 6000
C.Grigne - UE Terre Profonde 190
Remarque : Exploitation géothermique
Géothermie : Technique qui vise à exploiter la chaleur interne terrestre
• Exploitation directe quand il existe des sources chaudes : chauffage urbain, eauchaude courante, thermalisme.Ex.: Chaudes-Aigues, source à 82◦C
• Très basse énergie et basse énergie : aquifères à quelques centaines demètres de profondeur, utilisation de nappes phréatiques existantes,eau de 30 à 150◦C → Chauffage.
• Haute énergie : eau injectée à grande profondeur, 150 à 350◦C, sort sousforme vapeur pour alimenter des turbines→ Production d’électricité.
C.Grigne - UE Terre Profonde 191
Remarque : Exploitation géothermique
Géothermie : Technique qui vise à exploiter la chaleur interne terrestre
• Exploitation directe quand il existe des sources chaudes : chauffage urbain, eauchaude courante, thermalisme.Ex.: Chaudes-Aigues, source à 82◦C
• Très basse énergie et basse énergie : aquifères à quelques centaines demètres de profondeur, utilisation de nappes phréatiques existantes,eau de 30 à 150◦C → Chauffage.
• Haute énergie : eau injectée à grande profondeur, 150 à 350◦C, sort sousforme vapeur pour alimenter des turbines→ Production d’électricité.
C.Grigne - UE Terre Profonde 191
Remarque : Exploitation géothermique
Géothermie : Technique qui vise à exploiter la chaleur interne terrestre
• Exploitation directe quand il existe des sources chaudes : chauffage urbain, eauchaude courante, thermalisme.Ex.: Chaudes-Aigues, source à 82◦C
• Très basse énergie et basse énergie : aquifères à quelques centaines demètres de profondeur, utilisation de nappes phréatiques existantes,eau de 30 à 150◦C → Chauffage.
• Haute énergie : eau injectée à grande profondeur, 150 à 350◦C, sort sousforme vapeur pour alimenter des turbines→ Production d’électricité.
C.Grigne - UE Terre Profonde 191