La structure interne du globe - TL
Classe:
Terminale
Série:
L
L2
Introduction
Le globe terrestre est une représentation sphérique de la planète Terre.
Pour l'étude de sa structure interne, les géologues et les géophysiciens emploient diverses méthodes.
L'étude des ondes sismiques a permis de déterminer les différentes couches du globe terrestre.
I. Les seismes et la structure interne du globe
1. séismes
Les séismes sont des événements géologiques brutaux.
Les séismes ou les tremblements de terre se manifestent par une série de secousses plus ou moins violentes à la surface de la Terre provoquant des déformations et des destructions dans le paysage.
Ils représentent les catastrophes naturelles les plus meurtrières.
a. Les zones sismiques
La Terre est recouverte de plaques tectoniques qui sont constamment en mouvement.
Certaines glissent sous d'autres plaques, alors que d'autres s'écartent.
Ainsi, les séismes se localisent au niveau des frontières des plaques qui sont des zones sismiquement actives et au niveau des dorsales (milieu des océans).
b. Enregistrement des données sismiques
$\blacktriangleright$ Le sismographe
Un sismographe est un appareil qui peut être soit en position horizontale, soit en position verticale.
Il permet d'enregistrer les ondes sismiques.
Un sismographe est constitué d'un socle solidaire du sol, sur lequel est fixé un cylindre enregistreur et d'un pendule qui du fait de sa très grande masse est pratiquement immobile.
Lors d'une secousse, le socle est brutalement déplacé par les mouvements du sol et le stylet attaché au pendule inerte inscrit les vibrations sur un cylindre enregistreur tournant.
L'enregistrement obtenu est sismogramme.
$\blacktriangleright$ Les données sismiques
Suite à un séisme, l'ébranlement de la croûte terrestre enregistré par un sismographe se traduit par un tracé complexe : celui-ci correspond aux inscriptions successives de vagues d'ondes qui ont voyagé, à travers le globe, suivant des trajectoires diverses, et qui ont traversé, à des vitesses plus ou moins importantes, des zones aux propriétés différentes.
Les tracés obtenus lors de l'enregistrement du déplacement des ondes sont appelés sismogrammes.
L'analyse de ces tracés permet de définir trois principaux types d'ondes.
$\blacktriangleright$ Les ondes les plus rapides (les premières à s'inscrire sur le sismogramme) sont appelées ondes primaires ou ondes $P.$
Ce sont des ondes de compression – décompression capables de se propager aussi bien dans les solides que dans les fluides, y compris dans l'atmosphère (elles sont responsables du grondement sourd que l'on peut entendre au début d'un tremblement de terre).
$\blacktriangleright$Le deuxième groupe d'ondes, appelées ondes secondaires ou onde $S$, est constitué par des ondes transversales par rapport à la direction de propagation des rais sismiques.
Elles ne sont transmises que par les solides car les liquides n'offrent aucune résistance au cisaillement.
Les Ondes $P$ et ondes $S$ se propagent à l'intérieur du globe terrestre.
$\blacktriangleright$Les ondes $L$ de grande amplitude représentent les derniers trains d'ondes : elles correspondent à des mouvements très complexes de « torsion » du sol.
Contrairement aux deux types précédents, ces ondes $L$ sont guidées par les couches superficielles du globe.
Les ondes $S$ et les ondes $L$ sont les plus destructrices.
2. La structure interne du globe terrestre :
a. Exploitation des données sismiques
La connaissance de la structure interne du globe est rendue possible par l'exploitation des données sismiques.
Ainsi si l'on considère l'évolution de la vitesse de propagation des ondes sismiques on distingue successivement de l'extérieur vers l'intérieur les enveloppes concentriques.
b. Les différentes enveloppes constitutives du globe terrestre
$\bullet\ $La croute
C'est la couche la plus externe du globe terrestre, la vitesse des ondes $P$ et $S$ y est constante et faible $\text{(environ }4\,km/s \text {pour les ondes }S\text{ et un peu plus de }6\,km/s\text{ pour les ondes} P).$
Son épaisseur varie de $7--12\,km$ sous les océans (croute océanique) à environ $30-40\,km$ au niveau des continents.
La croute est délimitée à sa base par la discontinuité de Mohorovicic (Moho).
$\bullet\ $Le manteau
C'est la couche sous-jacente à la croute c'est une couche hétérogène.
En effet la vitesse des ondes $P$ augmente à partir de $30\,km$ de profondeur jusqu'à atteindre $8.6\,km/s$
La zone située entre $30-100\,km$ correspond au manteau superficiel qui forme avec la croute la lithosphère terrestre.
A partir de $100\,km$ la vitesse des ondes sismiques baisse et passe à $8.1\,km/s.$
Cette baisse de la vitesse des ondes $P$ marque le passage dans une zone moins rigide que le manteau superficiel : c'est le manteau supérieur ou Asthénosphère.
Cette partie supérieure de l'Asthénosphère également appelée LowVelocity Zone (LVZ) se situe entre $100-150\,km.$
L’asthénosphère se prolonge jusqu'à $700\,km.$
L'asthénosphère repose sur le manteau inférieur qui s'étend jusqu'à $2900\○,km.$
La limite inférieure du manteau est la discontinuité de Gutenberg.
$\bullet\ $Le noyau
Le noyau se subdivise en en deux zones :
Le noyau externe fait suite au manteau et s'étend jusqu'à $500\,km.$
La limite interne du noyau externe est la discontinuité de Lehmann.
Le noyau interne ou graine :
Il s'étend de $5000\,km$ à plus de $6000\,km.$
II. L'origine et la manifestation de l'énergie du globe terrestre
1. Les manifestations de l'énergie interne du globe
Plusieurs manifestations de la dissipation de chaleur sont observables à la surface de la Terre.
Outre les manifestations violentes, séismes, tremblements de terre, la surface du globe se caractérise par l'existence d'un flux de chaleur mesurable en tout point, correspondant à la chaleur ayant diffusé par conduction à travers les roches de la croûte.
Il est possible d'enregistrer l'augmentation de la température en fonction de la profondeur pour les couches superficielles ou gradient géothermique.
La valeur mesurée, de l'ordre de $20$ à $30^{\circ }C$ par kilomètre dans la croûte continentale, permet de construire la courbe représentative ou géotherme.
2. Origine de l'énergie interne du globe terrestre
L'énergie interne du globe terrestre provient essentiellement de la désintégration des éléments radioactifs et de la chaleur primitive emmagasinée lors de la formation de la terre.
La désintégration d'éléments (d'isotopes) radioactifs tels que l'Uranium, le Thorium, le Potassium est la source essentielle de l'énergie interne du globe.
Ce mécanisme correspond à la désintégration spontanée de noyaux atomiques instables s'accompagnant d'une libération importante d'énergie sous forme de chaleur.
Les multiples impacts de corps célestes (météorites, astéroïdes, planétoïdes...) ont produit une énorme quantité d'énergie qui a été internalisée.
Lorsque la planète primitive a acquis sa taille définitive, il y a environ $4.5$ milliards d'années, elle était constituée de matériaux en fusion : c'était la proto-Terre.
Sa surface a rapidement évacué cette chaleur initiale et s'est refroidie pour former la croûte tandis que pour les couches internes, ce processus a été beaucoup plus lent et se poursuit encore actuellement.
III. Les volcans et le volcanisme
1. Le volcanisme
Le volcanisme comprend l'ensemble des phénomènes naturels liés à l'activité des volcans, notamment aux éruptions volcaniques, ainsi qu'à la présence de magma.
Une éruption volcanique est la remontée du magma en profondeur à la surface de la terre.
L'éruption volcanique est précédée par des grondements et dans certains cas par des séismes.
Les produits rejetés par le volcan peuvent être:
$\surd\ $des produits solides : cendres, bombes,
$\surd\ $scories$\ldots$
$\surd\ $des produits gazeux : vapeur d'eau à haute température
$\surd\ $des produits liquides : laves visqueuses.
2. Les différents types de volcans
Les volcans peuvent être classés en fonction du type d'éruption et des matières émises (gaz, lave, roches).
Quatre catégories de volcans sont habituellement définies :
$-\ $le type hawaïen : dans ce type de volcan, l'essentiel de l'activité se réduit pratiquement à l'émission de coulées de lave très fluide, relativement pauvre en gaz.
Les explosions sont peu fréquentes et s'accompagnent de rares projectiles.
Les laves coulent dans de nombreuses directions et s'empilent en nappes de centaines de kilomètres de circonférence.
$-\ $le type strombolien : ce type de volcan se caractérise par des laves un peu moins fluides que le type précédent.
Cette viscosité plus élevée cause l'accumulation de gaz sous pression.
Des explosions parfois assez violentes projettent divers matériaux solides dont les couches alternent avec quelques coulées de lave solidifiée.
$-\ $le type vulcanien, des éruptions très violentes avec des explosions de gaz entraînant d'assez grandes quantités de matériaux solides caractérisent ce type de volcans.
Les laves sont très visqueuses, causant de grandes accumulations de gaz sous-pression.
Souvent, après une période d'activité, la cheminée est bouchée par une croûte de lave durcie, sous Laquelle s'accumulent gaz et lave.
$-\ $le type peléen, l'éruption débuta par l'apparition brutale d'une nuée ardente, énorme masse de gaz surchauffés et de cendres, échappée d'une fissure ouverte sur le flanc du volcan.
Il se produisit alors une explosion d'une violence inouïe.
En fonction de la nature de l'éruption on distingue: les volcans gris (essentiellement des éruptions explosives) et les volcans rouges (essentiellement des éruptions effusifs).
Les volcans existent à l'intérieur des plaques (intra-plaques), dans les zones de subduction et dans les zones de divergence de plaques.
Le volcanisme de point chaud est un type de volcanisme qui apparait la plupart du temps au milieu des plaques lithosphérique contrairement au volcanisme de dorsale ou de zone de subduction.
Conclusion
L'intérieur de la Terre est constitué d'une succession de couches de propriétés physiques différentes.
La structure de la Terre est révélée en partie par la sismologie, plus précisément par l'étude de la propagation des ondes engendrées par les gros séismes.
Les séismes et les volcans sont une manifestation de l'énergie interne du globe terrestre.
Planche $1$
Texte :
Le tremblement de terre qui a frappé, vendredi $26$ janvier $2001$ à $8h46mn$ (heure locale), l'ouest de l'inde et en particulier l'état de Gujarat, a été ressenti à travers tout le pays et au-delà.
Bhuj, la ville où est situé l'épicentre du tremblement de terre, a pratiquement été entièrement détruite.
Dans cette seule ville de Bhuj, on dénombrerait un millier de victimes.
On parle de $150$ morts ensevelis sous un seul bâtiment.
Les habitants du Gujarat ont reçu la consigne de ne pas regagner leurs habitations, dont beaucoup tiennent en équilibre ou sont largement fissurées.
La secousse a duré entre $30$ et $40$ secondes.
Le foyer a été localisé à $23.6\,km$ de profondeur.
$\bullet\ $Un habitant témoigne : « l'immeuble a commencé à se balancer d'un coté sur l'autre.
J'ai pris ma femme et mon fils et je les ai poussés dans les escaliers.
Avant que nous ayons eu le temps d'atteindre le rez de chaussée, j'ai entendu un grand bruit, comme une explosion, suivi d'un nuage de poussière qui a tout obscurci.
En sortant, j'ai vu l'immeuble voisin totalement affaissé ».
$\bullet\ $Un autre habitant témoigne : « il y avait des secousses à la fois horizontales et verticales.
Je ne pouvais pas me tenir debout ».
$\bullet\ $ Une habitante de Peshawar (Nord-ouest du Pakistan) raconte : « la secousse a été ressenti jusqu'à Peshawar avec une durée de 27 secondes mais les dégâts y sont toutefois plus limités ».
Document 2 :
Les zones sismiques et les limites des plaques tectoniques
Figure $1$ : sismographe enregistrant les mouvements
Figure $2$ : Sismographe enregistrant les mouvements horizontaux verticaux
Document $1$ : Sismographes
Texte :
Les sismographes les plus sensibles peuvent enregistrer des mouvements du sol dont l'amplitude ne dépasse pas le cent millième de millimètre.
Lors d'une secousse, le socle est brutalement déplacé par les mouvements du sol et le stylet attaché au pendule inerte inscrit les vibrations sur un cylindre enregistreur tournant.
L'enregistrement obtenu est un sismogramme.
Les sismographes modernes fonctionnent différemment : le déplacement est converti en courant électrique.
Les signaux ainsi produits sont transmis et enregistrés dans des stations de surveillance.
Document $2$ : Le fonctionnement d'un sismographe
Consigne :
1. A partir de l'enregistrement de la vitesse des ondes $P$ et $S$ en fonction de la profondeur, localisez les principales discontinuités sismiques.
2. Placez ces discontinuités et les enveloppes terrestres ainsi délimitées sur un schéma d'une portion de globe terrestre.
Texte :
Les volcans, les sources thermales et les geysers sont des manifestations de la chaleur interne de la Terre, qui s'écoule des zones chaudes vers les zones les plus froides de la planète: c'est le flux de chaleur $\text{(quantité de chaleur qui traverse une unité de surface sur le globe}= 80\,mW/m^{2}).$
La chaleur est transportée par conduction à travers des corps solides, et par convection dans les corps non solides.
La distribution du flux géothermique n'est pas homogène, en effet, il est plus élevé au niveau des dorsales océaniques qu'au niveau des continents.
Mais on remarque que la température des roches s'élève avec la profondeur : c'est le gradient géothermique $(30^{\circ }C.Km-1\text{ dans la croûte et}1^{\circ }C/.Km-1\text{dans le manteau)}.$
Le flux de chaleur en surface (notamment au niveau de la dorsale) est la manifestation principale de la dissipation de l'énergie interne de la Terre.
L'analyse des différentes couches terrestre montre la présence d'éléments radioactifs tel que le thorium, l'uranium, le potassium avec une concentration inégalement répartie en fonction de la profondeur.
Figure. Manifestations de l'énergie interne du globe terrestre
Tableau. Concentration des éléments radioactifs dans les enveloppes du globe terrestre
Activité : Étude du fonctionnement d'un volcan
Texte :
Le Pinatubo est un volcan des philippines ; son dôme de 1745 d'altitude est situé au milieu d'autres édifices volcaniques.
Avant $1990$, il n'était pas classé parmi les volcans actifs du globe.
En juillet $1990$, un séisme de magnitude $7.8$ ébranle la région.
Le $2$ avril $1991$, une explosion suivie d'un grondement accompagne l'ouverture d'une fissure de $3\,km$ dans le flan du volcan.
Elle émet des cendres fines et de la vapeur d'eau.
Pendant deux mois, les séismes sont de plus en plus fréquents, jusqu'à atteindre le nombre $2000$ par jour.
Le $7$ juin, les vibrations continues du volcan indiquent que magma monte.
Un nuage de cendres s'élève à $7\,km$ au-dessus du dôme.
Des nuées ardentes aux effets destructeurs dévalent les pentes. Le $9$ juin, $25 000$ personnes sont évacuées de la région.
A partir du $12$ juin, les explosions, les nuées ardentes se succèdent et étouffent toute la région sous un voile gris.
Le $15$ juin, une explosion paroxysmique arrache le sommet du volcan $().$
L'altitude du bord du cratère d'explosion n'est plus que de $1485\,m$ La violence du souffle projette les cendres en un nuage qui atteint $40\,km$ d'altitude, une petite quantité de bombes et scorie.
La nuit s'abat sur toute la zone. Des nuées ardentes dévalent le volcan à grande vitesse jusqu'à $16\,km$ du volcan.
Le $16$ juin, l'activité volcanique se calme, les pentes de cendres du volcan sont ravinées par les pluies du cyclone Yunya, créant des torrents de boue brulante ou lahars.
Les pluies de la moisson créent un lac de cratère d'explosion à $840\,m.$
Le $7$ juillet, le nuage de cendres a fait le tour du monde et perturbe la météorologie.
En juillet $1992$, dans le cratère, un nouveau dôme de lave visqueux se forme et obstrue la cheminée.
Sa croissance s'arrête en octobre $1992.$
Questions et consignes :
1. De quoi parle le texte ?
2. Relevez dans le texte les évènements qui ont précède l'éruption volcanique de Pinatubo.
3. Relevez dans le texte les manifestations du volcanisme.
4. Relevez les produits rejetés par le volcan.
5. Classifiez les produits rejetés par le volcan en trois groupes selon leur nature.
6. A partir de ce texte proposez une définition d'éruption volcanique et d'un magma.
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