STRUCTURE DE LA TERRE

Détermination des zonations chimiques et physiques actuelles de la Terre

Utilisation de la sismique

Les ondes sismiques se déplacent à travers la matière à des vitesses différentes en fonction de la composition chimique de celles-ci et à l'état physique des couches traversées.

La sismologie est la science qui étudie la propagation des ondes sismiques.

Pour les couches superficielles de la terre, des explosions générées par l'homme sont utilisées.

Deux types d'ondes sont observées, les ondes P (primaires, longitudinales de compression , rapides) et les ondes S (Secondaires, transversales de cisaillement, Vs<Vp).


Figure 5 - Ondes sismiques

La vitesse des ondes varie avec le milieu traversé, lorsque des fluides sont présents, la vitesse diminue, lorsqu'une couches est totalement liquide, les ondes de type S disparaissent.

Trois types de propagation permettent de déterminer les différentes couches traversées (ondes de surface, réfléchie et réfractée).


Figure 6 - Réflexion et réfraction des ondes sismiques.

Les tremblements de terre et les explosions de plus grande importance (nucléaires par ex.) permettent de traverser complètement la Terre et de déterminer toutes les couches de la surface jusqu'au noyau.

On a ainsi défini une structure globale de la Terre dans ses grandes zonations physiques :

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Figure 7 - Quartier de Terre

 Trois domaines, la croûte, le manteau et le noyau, de la surface jusqu'au centre de la terre (6.371 km).

Ces grandes divisions correspondent aussi à une zonation chimique :

SIAL (SIlicate d'ALumine) pour une composition de type granitique
SIMA (SIlicate MAgnésien) pour une composition péridotitique

Le noyau de 2.9800 km à 5.150 km de composition Fe-S liquide en relation avec les variation du magnétisme terrestre et de 5.150 à 6.371 km avec un arrangement de Fe-Ni et S solide (Graine).

Chacune des limites porte un nom, Croûte/manteau : discontinuité de Mohorovicic (70-150 km), Manteau/Noyau, discontinuité de Gutemberg (2.900 km) et Noyau/Graine discontinuité de Lehman (5.150 km).

Lorsque l'on étudie plus en détail la sismique dans les couches superficielles et les types d'onde qui se déplacent ainsi que leur vitesse, on obtient des variations importantes, donnant une zonation plus fine.

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Figure 8 - Zonation physique des couches superficielles de la Terre

On observe des variations dans la vitesse de propagation des ondes P et S, ces variations et en particulier les diminutions sont interprétées comme des roches dont un faible pourcentage est à l'état liquide, c'est le cas pour la discontinuité de Conrad à la base de la lithosphère (70-150 km, selon que l'on se trouve sous les continents ou sous les océans).

Les ondes de type S disparaissent totalement vers 2.900 km (D. de Gutemberg) indiquant qu'il y a une zone complètement liquide, c'est le noyau liquide composé de Fe et S.

Structure de la Lithosphère

a. apport de la sismologie

Étude de la propagation des ondes à partir de la surface et renvoi par réflexion ou réfraction en surface.

On défini ainsi des vitesses de propagation des ondes en fonction du milieu traversé :

Vp
Granite 6 km/s-1
Basalte 6,5 km/s-1
Péridotite 8 km/s-1

b. Zonation physique de la Terre

Les discontinuités observées correspondent à des changements de propriétés physiques et chimique du milieu.

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Figure 9 - Coupe de la Lithosphère

On trouve de la surface vers la profondeur, une lithosphère continentale avec une partie superficielle SIAL de type granitique et une partie solide du manteau supérieur constitué de péridotite, puis l'asthénosphère de même composition que le manteau supérieur (péridotite) mais avec la présence d'un faible pourcentage de liquide lié à la fusion partielle de cette dernière.

c. Empreinte de la différenciation retrouvée dans la zonation chimique de la Terre

L'étude de la variation des compositions en allant de la surface vers le centre de la Terre montre des différences de composition chimique héritées de la différenciation primitive de notre planète.

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Figure 11 - Répartition des éléments chimiques

Composition moyenne
de la Terre
(% masse)

Fe 35
O 30
Si 15
Mg 13
Ni 2,4
S 1,9
Ca 1,1
Al 1,1

Composition du Noyau

Fe, (Fe(Ni))+S

Composition du Manteau
(% masse)

Fe 35
O 30
Si 15
Mg 13
Ni 2,4
S 1,9
Ca 1,1
Al 1,1

Cela représente 99% de la matière.

Il y a une combinaison de tous les atomes sous forme minéralogique :

Olivines Mg2SiO4 Forstérite
(55%) Fe2SiO4 Fayalite
(Mgx Fe1-x)2SiO4 les Péridots

 

Pyroxènes Mg2Si2O6 Enstatite
(20-25%) Fe2Si2O6 Ferrosilite

Roche constitutive du Manteau, les péridotites.

Composition de la Croûte terrestre
(% en masse)

O 46
Si 28
Al 8
Fe 6
Mg 4
Ca, Na, K 2,2 chaq.

Ce qui caractérise la croûte, ce sont les silicates d'alumines de Na, Ca, K (SIAL).

Feldspaths CaAl2Si2O8 Anorthite
  NaAlSi3O8 Albite
  KAlSi3O8 Orthose
(Na2,Ca)Al2Si2O8 Plagioclases Basaltes
(K,Na)AlSi3O8 F. Alcalins Granites

On voit ainsi que par rapport à la composition moyenne de la Terre, il y a une répartition des éléments en zonation qui résulte de la différenciation primitive de la Terre.

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Figure 11 - Géochimie des roches

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