Chapitre 1 STRUCTURE ET COMPOSITION CHIMIQUE DE LA TERRE

I Structure interne de la Terre

A) Les séismes et les ondes sismiques

Rappel sur les séismes. 1. Sans le livre, définir les mots suivants : Séisme, faille, foyer d’un séisme, épicentre, ondes sismiques,

sismomètre (=sismographe), sismogramme. 2. Toujours sans le livre, réaliser un schéma du principe d’un séisme. Vous utiliserez les mots faille, foyer d’un

séisme, épicentre, ondes sismiques, pour légender le schéma. Principe du sismomètre : Document 1 page 8 3. Rappeler le principe des sismomètres 4. Les différentes types d’ondes sismiques : Document 2 page 12 5. Construire un tableau comparatif des ondes P et des ondes S

TP 1 : ETUDE DE SISMOGRAMMES B) Propagation des ondes sismiques

La propagation des ondes sismiques On définit un rai sismique comme une ligne perpendiculaire à la surface de propagation d’onde le long de laquelle se déplace l’énergie 1. Pourquoi utiliser la notion de rais sismiques ? 2. Quelle est la différence fondamentale entre les ondes sismiques et les rais sismiques ? On peut donc représenter le trajet des ondes sismiques par un rai sismique. La propagation des ondes sismiques peut se rapprocher de celles des ondes lumineuses, Sans discontinuité, les ondes sismiques se propagent en ligne droite. on peut donc définir une loi de la réflexion et une loi de la réfraction Rai sismique incident Surface de discontinuité Loi de la réflexion Loi de la réfraction

C) Apport de l’étude des séismes à la connaissance des enveloppes de la Terre.

1. Mise en évidence de l’hétérogénéité de l’intérieur du globe

On se demande si l’intérieur de la Terre est composé des mêmes matériaux que l’extérieur. L’observation du trajet des ondes sismiques va permettre de répondre à cette question. Les enregistrements d’ondes P faits à proximité d’un séisme permettent de reconstituer le trajet des ondes P dans le globe. Les rais sismiques ont un trajet courbe tel qu’indiquer sur le schéma ci-contre.

1) Supposons que la Terre soit homogène, utiliser les lois de la propagation des ondes sismiques pour tracer le trajet des rais sismiques Si l’on suppose que la Terre est homogène, le trajet des rais sismiques est-il courbe ? Si les résultats d’un modèle ne correspondent pas à la réalité, alors le modèle est faux et doit être modifié. Dans la question précédente, on a modélisé la Terre comme une sphère homogène. Or dans ce modèle, le trajet des rais sismiques provenant d’un séisme est rectiligne, ce qui ne correspond pas à la réalité. L’hypothèse que la Terre est une sphère homogène est donc faux. La Terre doit donc être hétérogène (formée de couches différentes) 2) Supposons donc que la Terre soit hétérogène, il y a deux possibilités, soit les matériaux profonds sont plus denses soit ils sont moins denses. On va tester les deux hypothèses. Hypothèse : La densité augmente avec la profondeur Hypothèse : La densité diminue avec la profondeur Argile Péridotite Granite Granite Péridotite Argile Utiliser les lois de la propagation des ondes sismiques pour tracer le trajet d’un rai sismique dans ces deux hypothèses. L’angle de départ de ce rai sismique est de 20°. Vous indiquerez les angles à chaque discontinuité Densité en g/cm3 Vitesse des ondes P (en km/s) Argile 2,2 – 2,6 3 Granite et gneiss 2,50 – 2,81 5,6 Péridotite 2,78 – 3,37 8,1 En utilisant les résultats ci-dessous, tracer l’allure du trajet des rais sismiques sur les schémas ci-dessous Hypothèse : La densité augmente avec la profondeur Hypothèse : La densité diminue avec la profondeur

Epicentre

Epicentre Epicentre

Indiquer maintenant quel est le modèle valide. Autre méthode de démonstration. Document 7a page 13. 1) La vitesse des ondes P et des ondes S est-elle constante lors de leur trajet ? Si non, indiquer comment évolue leur vitesse. 2) Que peut-on en conclure sur les couches profondes de la Terre.

2. Mise en évidence de la discontinuité de Mohorovic

En 1909, à l’occasion d’un séisme, Andrija Mohorovičić, géologue croate enregistre sur ses sismographes des ondes P puis des ondes S et ensuite de nouveau des ondes P. Or ces trains successifs ont été produits par le même séisme et sont donc partis d’un même lieu. On explique l’apparition du deuxième train d’onde P par une réflexion des ondes sur une surface de discontinuité profonde (voir schéma 5 page 15).

On explique l’apparition du deuxième train d’onde P par une réflexion des ondes sur une surface de discontinuité profonde (voir schéma 5 page 15). On connaît : l’heure d’arrivée des ondes P à 3 h 12 min 16,493 s l’heure d’arrivée des ondes PMP à 3 h 12 min 19,583 s la vitesse des ondes P dans cette région 6,25 km.s-1. La distance à l’épicentre 63,3 km 1. En considérant que la distance h peut être négligé, calculer la profondeur de la surface de discontinuité. Il faut utiliser le fait que les ondes P et les ondes PMP se propagent à la même vitesse, vitesse qui est connu Une fois les deux équations de la vitesse posée, utiliser le fait que l’intervalle entre le temps d’arrivée des ondes P et celui des ondes PmP est connu. Il faut utiliser le théorème de Thalès pour se débarrasser des distances inconnues Maintenant il faut essayer de tirer H de ces équations

2. A partir du document 6 page 15, décrire les caractéristiques de la répartition de la profondeur du Moho (= discontinuité de Mohorovičić) à la surface du globe.

3. La zone d’ombre : mise en évidence de la discontinuité de Gutenberg

Mise en évidence de la zone d’ombre : carte de la répartition des stations sismiques ayant enregistré les ondes P du séisme du 28 février 2001 `0

Mesure de la distance épicentrale et zone d’ombre.

1. Document 1 page 14 Qu’appelle-t-on la zone d’ombre sismique ? 2. Placer la zone d’ombre sismique des ondes P sur ce schéma. TP 2 : MODÉLISATION DE LA ZONE D’OMBRE DES ONDES P En 1936, Lehmann (1888-1993) montre que La " zone d’ombre " entre 105 et 142° n’est pas

entièrement vide mais on y observe l’arrivée d’ondes P très retardées. Lehmann montre que ces ondes reçoivent une explication bien plus satisfaisante si l’on suppose qu’elles ont été réfléchies à la surface d’une partie centrale. Elle découvre donc que le noyau liquide de la Terre contient une partie centrale

distincte solide : la graine. La distance à l’épicentre se mesure :

Schéma bilan : trajet des ondes sismiques P dans la Terre

4. Variation de la vitesse des ondes en fonction de la profondeur La vitesse des ondes sismiques dépend de nombreux paramètres : De manière simple, un changement dans la nature des roches provoque une variation brusque de la vitesse l’état physique a aussi une influence : les ondes se propagent moins bien, voir pas du tout dans les liquides. la vitesse varie avec la ductilité : quand la ductilité* du matériau traversé augmente, les ondes S et P sont ralenties. Ductilité : Une roche soumise à des contraintes peut suivant les conditions de pression et de température se révéler fragile ou ductile. Une roche ayant un comportement fragile casse après une déformation suffisante : elle est cassante. Une roche ayant un comportement ductile présente une déformation plastique irréversible mais ne casse pas.

1. Compléter le graphique ci-dessous à l’aide de la page 16 du livre 2. Comment interpréter les variations brutales de vitesse des ondes P et S avec la profondeur. 3. Montrer que ce graphique permet de retrouver les trois discontinuités mises en évidence précédemment 4. La discontinuité de Lehmann (5100 km) sépare deux milieux aux propriétés différentes, le noyau externe et le noyau interne. Justifier la séparation proposée par les géophysiciens. Donner l’état physique du noyau interne. 5. Montrer que l’existence d’une zone à faible vitesse des ondes sismiques dans le manteau (graphique b) est un argument pour distinguer lithosphère et asthénosphère (définis dans le lexique) 6. Sachant que le géotherme représente la température des roches de la Terre en fonction de la profondeur et que les péridites sont des roches du manteau utiliser le graphique C pour expliquer l’origine de la ductilité du sommet de la lithosphère.

B : Vitesse de propagation des ondes P et S dans les 300 premiers km de profondeur (domaine océanique)

A :

C : Géotherme et courbe de fusion des péridotite dans les 500 premiers km de profondeur (domaine océanique)

D) Bilan : un modèle de l’intérieur de la Terre Schéma bilan : modèle physique de l’intérieur du globe II Composition chimique de la Terre

1. Définir roches, cristaux, verre, microlite, phénocristaux, structure microlitique et structure grenue

2. La silice est un minéral de formule Si02. Sous forme de cristaux, on l’appelle quartz, sinon c’est du verre (celui utilisé dans la vie courante). Déterminer quel schéma représente les atomes dans un cristal de quartz et lequel les représente dans un verre.

A) Composition de la croûte et du manteau, enveloppes accessibles 1. Etude des roches de la croûte et du manteau

TP 3 ET TP 4: ÉTUDES PETROLOGIQUES ET MINÉRALOGIQUES DE LA CROUTE ET DU MANTEAU

Fiche méthode : étudier une roche Fiche méthode : utiliser un microscope polarisant

2. Composition chimique de la croûte et du manteau

Tableau de la composition chimique de la croûte océanique et continentale et des roches représentatives

des enveloppes accessibles de la Terre O Si Fe Al Ca Mg Na K Basalte 43 23 11,5 7,6 6,9 3,1 2,1 0,6 Gabbro 44,6 23,7 6,5 8,8 8 5,5 2,2 0,2 Croûte océanique 43,7 22 6,5 8,5 7,1 7,6 1,6 0,33 Granite 49,4 32,4 2 7,4 1 0,6 2,6 4,6 Gneiss 48,7 32 3,3 8,5 1,3 0,7 2,8 2,5 Croûte continentale 46,9 32,2 2,9 7,7 1,9 0,7 2,9 3,2 Péridotite 43,5 21,1 6,5 1,9 2,2 22,5 0,5 0,02

1. Quels sont les éléments majeurs constituant les couches accessibles de la Terre ? 2. Quels sont les quatre éléments majoritaires du basalte et du gabbro ? 3. Quels sont les quatre éléments majoritaires du granite ? 4. Quels sont les quatre éléments majoritaires de la péridotite ? 5. Classer les roches selon leur richesse en silicium.

B) Composition du noyau

1. Étude de la densité du noyau La masse volumique de la Terre a pu être déterminée grâce aux lois de la gravitation universelle (deux corps sont soumis à une force d’attraction F proportionnelle au produit de la masse de chacun des corps et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare). Cette masse MT est voisine de 5,972. 1024 kg 1. Quelle est la formule de la masse volumique ? 2. Calculer la masse volumique moyenne de la Terre. On rappelle que le volume d’une sphère est donné par la formule 4/3πR3 et que le rayon de la Terre est de 6400km. 3. Sachant que la masse volumique moyenne des roches de la croûte est de l’ordre de 2700 à 2900 kg/m3 et que celle du manteau varie entre 3200 et 5000 kg/m3, quelle conclusion peut-on en tirer par comparaison avec le résultat précédent. 4. 4. On cherche à calculer la densité du noyau. Calculer le rayon du noyau Calculer le volume du noyau Sachant que le volume de la croûte correspond à 1% du volume de la Terre, calculer le volume de la croûte. Calculer maintenant le volume du manteau. Exprimer la masse de la Terre en fonction de la masse de la croûte, du manteau et du noyau Exprimer maintenant la masse de la Terre en fonction des densités et des volumes des différentes enveloppes. Calculer maintenant la densité du noyau Vous prendrez comme valeur moyenne de densité pour la croûte 2800 kg/m3 et pour le manteau 4100 kg/m3

2. Étude de la vitesse des ondes sismiques P dans le noyau Au début des années 1950, le géophysicien américain Francis Birch a découvert une relation empirique linéaire entre la vitesse des ondes sismiques et la masse volumique (ρ) du milieu traversé

1. Repérer l’intervalle de la vitesse des ondes P dans le noyau

2. Repérer la masse volumique du noyau 3. Déterminer maintenant l’élément

composant le noyau

Loi de Birch reliant la vitesse des ondes P d'un milieu et sa masse volumique

3. Etude des météorites Voir question 3 du III III Explication de la structure de la Terre

1. A partir du texte du document 2 page 24 et du document 3 page 24, représenter sous forme d’une succession de schéma les étapes de la formation de la Terre. 3. Compléter le tableau distribué à l’aide des documents 5 et 6 page 25. 3. Sachant que les météorites se sont formées à la même période que la Terre et à partir des mêmes matériaux, qu’apporte l’étude des météorites à la connaissance des enveloppes de la Terre.

Type de météorites Composition moyenne

Enveloppe de la Terre de composition semblable

Origine des météorites

Indi

ffére

nci

ée

CHONDRITES

ACHONDRITES

Diff

éren

ciée

SIDÉRITES