Karamö, le prof virtuelLeçon 4 sur 22
Les couches internes de la Terre : structure principale
Je sais décrire les trois grandes couches internes de la Terre (croûte, manteau, noyau), leurs limites, leur composition et leur état, en m'appuyant sur la vitesse des ondes sismiques.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Nommer et situer les couches internes et les trois grandes discontinuités
- Donner la composition, l'état physique et la masse volumique de chaque couche
- Distinguer croûte continentale et croûte océanique
- Interpréter le profil de vitesse des ondes P et S en fonction de la profondeur
Avant de commencer : La leçon « Méthodes utilisées pour déterminer la structure interne de la Terre » (ondes P et S, discontinuités, zone d'ombre).
1Je découvre
À Kindia, Fanta épluche un avocat pour le repas. En le coupant en deux, elle remarque trois parties bien distinctes : une peau fine, une épaisse chair verte, puis un gros noyau au centre. Elle montre l'avocat à son petit frère Ibrahima : « Regarde, c'est comme le schéma de la Terre dans mon cahier de géologie ! »
Ibrahima, curieux, demande : « Et la peau de la Terre, elle est épaisse comment ? Et le noyau, il est dur comme celui de l'avocat ? »
Fanta ouvre son cahier. Elle y a noté que les ondes des séismes changent de vitesse à certaines profondeurs, qu'elles disparaissent parfois, et que ces « accidents » révèlent des limites. Mais elle n'a pas encore rangé ses connaissances en un tableau clair.
Quelles sont les grandes couches internes de la Terre, où se situent leurs limites, et de quoi est faite chacune d'elles ?
2Je comprends
1. Le profil de vitesse des ondes sismiques
En étudiant les temps de parcours des ondes de milliers de séismes, les sismologues ont établi comment la vitesse des ondes P et S varie avec la profondeur. Ce profil révèle trois grandes discontinuités qui délimitent trois grandes couches.
| Profondeur | Ondes P | Ondes S | Interprétation |
|---|---|---|---|
| 0 à 35 km (sous les continents) | environ 6 km/s | environ 3,5 km/s | croûte |
| juste sous le Moho | saut à environ 8 km/s | saut à environ 4,5 km/s | discontinuité de Mohorovičić |
| de 35 à 2 900 km | augmentent jusqu'à environ 13,7 km/s | augmentent jusqu'à environ 7,3 km/s | manteau solide |
| à 2 900 km | chute à environ 8 km/s | disparaissent | discontinuité de Gutenberg |
| de 2 900 à 5 100 km | augmentent lentement | absentes | noyau externe liquide |
| à 5 100 km | nouvelle augmentation | réapparaissent (faibles) | discontinuité de Lehmann |
| de 5 100 à 6 371 km | environ 11 km/s | environ 3,5 km/s | noyau interne solide (graine) |
2. La croûte (ou écorce terrestre)
La croûte est la couche superficielle, solide et rigide. Elle ne représente qu'environ 1 % du volume de la Terre. Il en existe deux types très différents :
| Caractère | Croûte continentale | Croûte océanique |
|---|---|---|
| Épaisseur | 30 à 70 km (environ 35 km en moyenne ; plus épaisse sous les montagnes) | 5 à 10 km |
| Roches dominantes | granite, gneiss, roches sédimentaires en surface | basalte au-dessus, gabbro en dessous, sous une couche de sédiments |
| Masse volumique | environ 2,7 g/cm³ | environ 3,0 g/cm³ |
| Âge des roches | jusqu'à environ 4 milliards d'années | moins de 200 millions d'années |
Le sous-sol de la Guinée appartient à une croûte continentale très ancienne : la dorsale de Léo, dans le sud-est du pays (Guinée forestière et Haute-Guinée), est formée de granites et de gneiss de plus de deux milliards d'années, qui portent notamment les minerais de fer du Simandou et des monts Nimba.
La croûte se termine par la discontinuité de Mohorovičić (le Moho), découverte en 1909 par le Croate Andrija Mohorovičić : les ondes P y passent brusquement d'environ 6-7 km/s à 8 km/s.
3. Le manteau
Le manteau s'étend du Moho jusqu'à 2 900 km de profondeur. C'est la couche la plus volumineuse : environ 83 % du volume de la Terre.
- Composition : des roches silicatées riches en fer et en magnésium ; dans le manteau supérieur, la roche dominante est la péridotite, formée surtout d'olivine et de pyroxènes.
- État : solide, puisque les ondes S le traversent. Mais les roches y sont très chaudes et peuvent, sur des millions d'années, se déformer lentement, comme de la pâte très épaisse.
- Masse volumique : elle augmente avec la profondeur, d'environ 3,3 g/cm³ sous le Moho à environ 5,5 g/cm³ à sa base, à cause de la pression.
- On distingue un manteau supérieur (jusqu'à environ 670 km) et un manteau inférieur (de 670 à 2 900 km).
Le manteau est séparé du noyau par la discontinuité de Gutenberg, à 2 900 km, mise en évidence par Beno Gutenberg en 1914 : les ondes P ralentissent brusquement et les ondes S disparaissent.
4. Le noyau
Le noyau occupe le centre de la Terre, de 2 900 à 6 371 km. Il représente environ 16 % du volume, mais près d'un tiers de la masse de la Terre, car il est très dense.
- Composition : un alliage de fer (environ 85 %) et de nickel, avec un peu d'éléments plus légers (soufre, oxygène…).
- Masse volumique : environ 10 g/cm³ au sommet, jusqu'à 13 g/cm³ au centre.
- Il comprend deux parties :
- le noyau externe, de 2 900 à 5 100 km, liquide (les ondes S ne le traversent pas). Les mouvements de ce fer liquide produisent le champ magnétique terrestre ;
- le noyau interne ou graine, de 5 100 à 6 371 km, solide malgré une température de plusieurs milliers de degrés, parce que la pression y est énorme. Sa limite, la discontinuité de Lehmann, a été découverte en 1936 par la sismologue danoise Inge Lehmann.
5. Récapitulation
- 1Croûte : 0 à 35 km (continents) ou 5-10 km (océans), granite ou basalte, 2,7 à 3 g/cm³, solide
- 2Moho : saut de vitesse des ondes P de 6 à 8 km/s
- 3Manteau : jusqu'à 2 900 km, péridotite, 3,3 à 5,5 g/cm³, solide
- 4Gutenberg (2 900 km) : les ondes S disparaissent, les ondes P ralentissent
- 5Noyau externe : 2 900 à 5 100 km, fer et nickel liquides, environ 10 à 12 g/cm³
- 6Lehmann (5 100 km) : les ondes P accélèrent
- 7Graine : 5 100 à 6 371 km, fer et nickel solides, jusqu'à 13 g/cm³
La température augmente avec la profondeur : environ 1 000 à 1 300 °C à la base de la lithosphère (vers 100 km), près de 4 000 °C à la limite manteau-noyau et environ 5 000 à 6 000 °C au centre. La pression passe de 1 bar en surface à plus de 3,5 millions de bars au centre.
Méthode
Pour interpréter un profil de vitesse des ondes sismiques :
- Je repère chaque profondeur où la vitesse change brusquement (saut vers le haut ou vers le bas).
- Je nomme la discontinuité correspondante (Moho, Gutenberg, Lehmann) et je donne sa profondeur.
- Je regarde les ondes S : leur absence signifie un milieu liquide ; leur présence, un milieu solide.
- Je nomme la couche située entre deux discontinuités et je donne son état et sa composition.
Exemple
Sous le Fouta-Djallon, une étude sismique montre un saut de vitesse des ondes P de 6,5 à 8,1 km/s à 38 km de profondeur. Que peut-on dire ?
Le saut de vitesse signale une discontinuité : c'est le Moho.
La croûte a donc 38 km d'épaisseur à cet endroit, ce qui est typique d'une croûte continentale (et non océanique, qui ne dépasse pas 10 km).
Au-dessous commence le manteau, formé de péridotite.
Exemple
Calculer l'épaisseur de chaque partie du noyau et le pourcentage du rayon terrestre occupé par le noyau.
Noyau externe : 5 100 − 2 900 = 2 200 km. Graine : 6 371 − 5 100 = 1 271 km.
Rayon du noyau : 6 371 − 2 900 = 3 471 km.
Pourcentage du rayon : 3 471 ÷ 6 371 × 100 ≈ 54,5 %. Le noyau occupe plus de la moitié du rayon, mais seulement environ 16 % du volume, car le volume varie comme le cube du rayon (0,545³ ≈ 0,16).
3Je retiens
Je retiens
Trois couches : croûte, manteau, noyau ; trois discontinuités : Moho, Gutenberg (2 900 km), Lehmann (5 100 km).
Croûte continentale : 30 à 70 km, granite, 2,7 g/cm³ ; croûte océanique : 5 à 10 km, basalte et gabbro, 3 g/cm³.
Moho (Mohorovičić, 1909) : les ondes P passent de 6 à 8 km/s.
Manteau : du Moho à 2 900 km, péridotite (olivine), solide, 3,3 à 5,5 g/cm³, environ 83 % du volume.
Gutenberg (1914) : les ondes S disparaissent et les P ralentissent.
Noyau externe (2 900 à 5 100 km) : fer et nickel liquides, origine du champ magnétique. Graine (5 100 à 6 371 km) : fer et nickel solides. Lehmann (1936).
La température, la pression et la masse volumique augmentent avec la profondeur.
4Erreurs fréquentes
- Croire que le manteau est liquide : les ondes S le traversent, il est donc solide ; seules de petites zones fondent pour donner les magmas.
- Croire que la graine est liquide parce qu'elle est très chaude : l'énorme pression la maintient solide.
- Donner la même épaisseur et la même roche aux deux croûtes : la croûte océanique est fine et basaltique, la continentale est épaisse et granitique.
- Placer la discontinuité de Gutenberg entre la croûte et le manteau : elle sépare le manteau du noyau ; c'est le Moho qui sépare la croûte du manteau.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Nomme les trois grandes couches internes du globe et les discontinuités qui les séparent, avec leur profondeur.
b) Quelle est la roche dominante du manteau supérieur ? Quel est son minéral principal ?
c) Pourquoi dit-on que le noyau externe est liquide ?
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a) La croûte, le manteau et le noyau. La croûte est séparée du manteau par le Moho (vers 35 km sous les continents, 5 à 10 km sous les océans) ; le manteau est séparé du noyau par la discontinuité de Gutenberg (2 900 km). Dans le noyau, la discontinuité de Lehmann (5 100 km) sépare le noyau externe de la graine.
b) La péridotite, dont le minéral principal est l'olivine.
c) Parce que les ondes S, qui ne se propagent pas dans les liquides, ne le traversent pas.
2Exercice 2
Recopie et complète le tableau de comparaison des deux types de croûte : épaisseur, roches, masse volumique, âge maximal.
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| Caractère | Croûte continentale | Croûte océanique |
|---|---|---|
| Épaisseur | 30 à 70 km | 5 à 10 km |
| Roches | granite, gneiss | basalte, gabbro |
| Masse volumique | 2,7 g/cm³ | 3,0 g/cm³ |
| Âge maximal | environ 4 milliards d'années | moins de 200 millions d'années |
3Exercice 3
Une étude sismique réalisée en mer, au large de la Guinée, montre un saut de vitesse des ondes P de 6,8 à 8,0 km/s à 7 km sous le fond de l'océan. Une autre, réalisée à Kankan, montre le même type de saut à 36 km de profondeur.
a) Comment s'appelle cette discontinuité ?
b) Quel type de croûte existe à chaque endroit ? Justifie.
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a) C'est la discontinuité de Mohorovičić (Moho), limite entre la croûte et le manteau.
b) En mer, la croûte n'a que 7 km d'épaisseur : c'est une croûte océanique (5 à 10 km). À Kankan, elle a 36 km : c'est une croûte continentale (30 à 70 km).
4Exercice 4
Calcule le volume du noyau et celui de la Terre (formule V = 43π R3, avec RTerre = 6 371 km et Rnoyau = 3 471 km), puis le pourcentage du volume terrestre occupé par le noyau.
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VTerre = 43 × 3,14 × 6 3713 ≈ 1,08 × 1012 km³.
Vnoyau = 43 × 3,14 × 3 4713 ≈ 1,75 × 1011 km³.
Pourcentage : 1,75 × 10111,08 × 1012 × 100 ≈ 16 %. Le noyau occupe environ 16 % du volume terrestre.
5Exercice 5
(Type BAC) Le document donne les vitesses des ondes S à différentes profondeurs.
| Profondeur (km) | 20 | 100 | 1 000 | 2 800 | 3 500 | 4 500 | 5 500 | 6 300 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vitesse des ondes S (km/s) | 3,6 | 4,5 | 6,4 | 7,3 | 0 | 0 | 3,5 | 3,7 |
a) Entre quelles profondeurs les ondes S ne se propagent-elles pas ? Quelle couche est concernée ?
b) Déduis-en l'état physique de cette couche. Justifie.
c) Que se passe-t-il au-delà de 5 100 km ? Conclus sur l'état de la graine.
d) Réalise un schéma légendé en coupe des couches internes du globe.
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a) Les ondes S ne se propagent pas entre 2 900 km et 5 100 km : il s'agit du noyau externe.
b) Le noyau externe est liquide, car les ondes S sont des ondes de cisaillement qui ne se propagent pas dans les liquides.
c) Au-delà de 5 100 km (discontinuité de Lehmann), des ondes S réapparaissent (3,5 à 3,7 km/s). Elles naissent de la conversion d'ondes P à l'entrée de la graine. Leur propagation montre que la graine est solide.
d) Le schéma doit montrer, en cercles concentriques, avec les profondeurs : la croûte (0 à 35 km), le Moho, le manteau supérieur et inférieur (jusqu'à 2 900 km), la discontinuité de Gutenberg, le noyau externe liquide (2 900 à 5 100 km), la discontinuité de Lehmann et la graine solide (5 100 à 6 371 km), avec un titre.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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