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Cours 4 : Structure et composition de la Terre

Support du cours pour la classe inversée Structure et composition de la Terre Licence première année, Géosciences 1 Université Claude Bernard Lyon 1

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La Terre
Partie 1 : Structure et composition
Comment observer l’intérieur de la
Terre?
~10km maximum
1.LaTerreobservabledirectement
La croûte continentale = granite, gneiss, granodiorite et granulites.
Plan de foliation
Plan de diaclase
Granite et granodiorite=
roches magmatiques
plutoniques.
Gneiss et granulites = roche
métamorphiques.
Reboulet S.
1.LaTerreobservabledirectement
1.LaTerreobservabledirectement
Basalte avec une enclave de péridotite.
Basalte vacuolaire (pas de connection entre les vacuoles).
Basalte à vacuoles étirées
La croûte océanique = basalte et gabbro.1.LaTerreobservabledirectement
Croûte océanique. Croûte continentale.
JP Bourseau,UCBL1.
1.LaTerreobservabledirectement
2.LaformedelaTerreetsagravité
La surface des océans peut se concevoir comme une surface de niveau
(= « altitude gravitaire ») qui est contrôlée essentiellement par la gravité
(on ne tient pas compte des effets périodiques comme les marées et la houle).
La surface océanique représente à l'équilibre une partie de surface sur laquelle
le potentiel de pesanteur est constant (même g) = surface équipotentielle : le
géoïde.
2.LaformedelaTerreetsagravité
L’accélération de la pesanteur est la résultante de 2 forces (Fn >> Fc) :
g = 9.8 m/s².
g = f (distance ; distribution des masses)
g « pôles » = 9.83 m/s²
g « équateur » = 9.78 m/s².
2.LaformedelaTerreetsagravité
CLAIRAUT (18ème s.)  la Terre a la forme d’un ellipsoïde de révolution
Rotation (force centrifuge)  Terre aplatie aux pôles et gonflée
à l’équateur.
Rayon polaire = 6356.77 km
Rayon équatorial = 6374.16
2.LaformedelaTerreetsagravité
Différences entre géoïde et ellipsoïde en mètres
2.LaformedelaTerreetsagravité
3.Lasismologie
Déformation permanente : cassante, les failles
Près de l’épicentre
Nevada, 16 décembre 1954
USGS
Ondes sismiques
Plus loin, des vibrations, des ondes qui se propagent.
La déformation n’est pas permanente :
déformation élastique.
2.Lasismologie
Northridge, CA 1994 USGS
Une onde est la propagation d'une
perturbation produisant sur son passage une
variation réversible de propriétés physiques
locales. Elle transporte de l'énergie sans
transporter de matière.
3.Lasismologie
Vibrations du sols : les ondes sismiques
3.Lasismologie
Ondes réfléchies, transmises
(c=réflechie sur noyau, K=transmise dans le noyau)
3.Lasismologie
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Liquide Solide
Solide
Modèle radial de Terre3.Lasismologie
Tomographie sismique : échographie du manteau terrestre
3.Lasismologie
E. Debayle, 2005
•Avoir une idée de la composition chimique de la
Terre
•Reproduire en laboratoire les conditions de
Pression et de Température de l’intérieur de la
Terre
4.Compositiondumanteauetdunoyau
Comment interpréter les modèles de
vitesses sismiques ?
• Composition de la
nébuleuse ~composition
du soleil (99.9% masse
totale)
• Composition des plus
vieilles météorites
(chondrites 4.562Ga)
Composition chimique initiale de la Terre
Un modèle géochimique4.Compositiondumanteauetdunoyau
Les chondrites
•Météorites non différenciées
•Fer métal + silicates
•Les plus vieilles
•Chondres : billes de silicates
Les météorites différenciées
•Achondrites = silicates
•Sidérites = métaux
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Museum national d’histoire naturelle
Débris de noyaux et manteaux
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Les corps parents des planètes
Un modèle géochimique4.Compositiondumanteauetdunoyau
Un modèle géochimique
Composition du manteau et du noyau
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2
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4.Compositiondumanteauetdunoyau
Composition chimique de la Terre
Tous les éléments ne sont pas totalement réfractaires,
totalement sidérophiles ou lithophiles…
Un modèle géochimique4.Compositiondumanteauetdunoyau
Matériaux des différentes
enveloppes
• Trouver les matériaux dont les propriétés
(K,m,r) reproduisent le profil de vitesses
sismiques
• Pas d’échantillons de la Terre profonde (>
500km)
 Conduire des expériences aux conditions
de P-T de la Terre profonde.
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Olivine > 50%
Pyroxènes < 50%
Oxydes d’Aluminium < 10%
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Conditions P-T de l’intérieur de la Terre
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Echantillon Laser
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à enclume de diamants
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Un modèle minéralogique4.Compositiondumanteauetdunoyau
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péridotites
Olivine a
(Fe,Mg)2SiO4
Orthorombique
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(Fe,Mg)SiO3
Cubique
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Post-Pérovskite
(Fe,Mg)SiO3
Pression
Changements de phases
Un modèle minéralogique4.Compositiondumanteauetdunoyau
4.Compositiondumanteauetdunoyau
Post-perovskite
Ce qu’il faut retenir
• La sismologie permet de sonder indirectement
l’intérieur de la Terre
• Les vitesses sismiques varient radialement et
horizontalement à cause des changements
minéralogiques et des variations de température et de
chimie
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du noyau externe
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comprendre le profil de vitesses radiales
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Cours 4 : Structure et composition de la Terre

  • 1. La Terre Partie 1 : Structure et composition
  • 2. Comment observer l’intérieur de la Terre? ~10km maximum
  • 4. La croûte continentale = granite, gneiss, granodiorite et granulites. Plan de foliation Plan de diaclase Granite et granodiorite= roches magmatiques plutoniques. Gneiss et granulites = roche métamorphiques. Reboulet S. 1.LaTerreobservabledirectement
  • 6. Basalte avec une enclave de péridotite. Basalte vacuolaire (pas de connection entre les vacuoles). Basalte à vacuoles étirées La croûte océanique = basalte et gabbro.1.LaTerreobservabledirectement
  • 7. Croûte océanique. Croûte continentale. JP Bourseau,UCBL1. 1.LaTerreobservabledirectement
  • 9. La surface des océans peut se concevoir comme une surface de niveau (= « altitude gravitaire ») qui est contrôlée essentiellement par la gravité (on ne tient pas compte des effets périodiques comme les marées et la houle). La surface océanique représente à l'équilibre une partie de surface sur laquelle le potentiel de pesanteur est constant (même g) = surface équipotentielle : le géoïde. 2.LaformedelaTerreetsagravité
  • 10. L’accélération de la pesanteur est la résultante de 2 forces (Fn >> Fc) : g = 9.8 m/s². g = f (distance ; distribution des masses) g « pôles » = 9.83 m/s² g « équateur » = 9.78 m/s². 2.LaformedelaTerreetsagravité
  • 11. CLAIRAUT (18ème s.)  la Terre a la forme d’un ellipsoïde de révolution Rotation (force centrifuge)  Terre aplatie aux pôles et gonflée à l’équateur. Rayon polaire = 6356.77 km Rayon équatorial = 6374.16 2.LaformedelaTerreetsagravité
  • 12. Différences entre géoïde et ellipsoïde en mètres 2.LaformedelaTerreetsagravité
  • 13. 3.Lasismologie Déformation permanente : cassante, les failles Près de l’épicentre Nevada, 16 décembre 1954 USGS
  • 14. Ondes sismiques Plus loin, des vibrations, des ondes qui se propagent. La déformation n’est pas permanente : déformation élastique. 2.Lasismologie Northridge, CA 1994 USGS
  • 15. Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. 3.Lasismologie Vibrations du sols : les ondes sismiques
  • 17. Ondes réfléchies, transmises (c=réflechie sur noyau, K=transmise dans le noyau) 3.Lasismologie Les différentes phases observées
  • 18. Liquide Solide Solide Modèle radial de Terre3.Lasismologie
  • 19. Tomographie sismique : échographie du manteau terrestre 3.Lasismologie E. Debayle, 2005
  • 20. •Avoir une idée de la composition chimique de la Terre •Reproduire en laboratoire les conditions de Pression et de Température de l’intérieur de la Terre 4.Compositiondumanteauetdunoyau Comment interpréter les modèles de vitesses sismiques ?
  • 21. • Composition de la nébuleuse ~composition du soleil (99.9% masse totale) • Composition des plus vieilles météorites (chondrites 4.562Ga) Composition chimique initiale de la Terre Un modèle géochimique4.Compositiondumanteauetdunoyau
  • 22. Les chondrites •Météorites non différenciées •Fer métal + silicates •Les plus vieilles •Chondres : billes de silicates Les météorites différenciées •Achondrites = silicates •Sidérites = métaux •En général plus jeunes Museum national d’histoire naturelle Débris de noyaux et manteaux planétaires? Les corps parents des planètes Un modèle géochimique4.Compositiondumanteauetdunoyau
  • 23. Un modèle géochimique Composition du manteau et du noyau Noyau riche en sidérophiles Manteau riche en lithophiles 2 1 3 4.Compositiondumanteauetdunoyau
  • 24. Composition chimique de la Terre Tous les éléments ne sont pas totalement réfractaires, totalement sidérophiles ou lithophiles… Un modèle géochimique4.Compositiondumanteauetdunoyau
  • 25. Matériaux des différentes enveloppes • Trouver les matériaux dont les propriétés (K,m,r) reproduisent le profil de vitesses sismiques • Pas d’échantillons de la Terre profonde (> 500km)  Conduire des expériences aux conditions de P-T de la Terre profonde. Un modèle minéralogique4.Compositiondumanteauetdunoyau
  • 26. Les roches du manteau : Les péridotites Olivine > 50% Pyroxènes < 50% Oxydes d’Aluminium < 10% Un modèle minéralogique4.Compositiondumanteauetdunoyau
  • 27. Conditions P-T de l’intérieur de la Terre Un modèle minéralogique4.Compositiondumanteauetdunoyau
  • 28. Echantillon Laser Expériences de choc ou en écrasement Un exemple : la cellule à enclume de diamants P = Force/Surface Un modèle minéralogique4.Compositiondumanteauetdunoyau
  • 29. Comprimer une olivine, le composant principal des péridotites Olivine a (Fe,Mg)2SiO4 Orthorombique 25GPa  Pérovskite (Fe,Mg)SiO3 Cubique 120GPa Post-Pérovskite (Fe,Mg)SiO3 Pression Changements de phases Un modèle minéralogique4.Compositiondumanteauetdunoyau
  • 32. Ce qu’il faut retenir • La sismologie permet de sonder indirectement l’intérieur de la Terre • Les vitesses sismiques varient radialement et horizontalement à cause des changements minéralogiques et des variations de température et de chimie • Le manteau est solide, tout comme la graine, à l’inverse du noyau externe • Les transitions de phase dans l’olivine permettent de comprendre le profil de vitesses radiales • On peut connaître la composition chimique de la Terre interne à partir des météorites Conclusions