Structure du globe : fiche Première spé SVT

Le fil du chapitre

Le globe se découpe de deux façons qui ne coïncident pas : par la NATURE des roches (croûte, manteau, noyau, séparés par le Moho, la discontinuité de Gutenberg et celle de Lehmann) et par leur COMPORTEMENT (lithosphère rigide, asthénosphère ductile mais solide, noyau externe liquide, graine solide). Aucune de ces limites ne se voit : chacune se déduit en croisant ondes sismiques, densités et températures.

Notions couvertes

Distribution bimodale des altitudes
Croûte continentale et croûte océanique
Séisme et faille
Ondes sismiques P et S
Discontinuité de Mohorovičić
Zone d'ombre sismique
Modèle PREM
Lithosphère et asthénosphère
Zone de moindre vitesse
Gradient géothermique
Conduction et convection
Tomographie sismique

Le tableau du chapitre

Les enveloppes du globe en un tableau

Une colonne par enveloppe, de la surface au centre. Les deux premières lignes disent la NATURE, les deux suivantes le COMPORTEMENT, la dernière la preuve : c'est elle qu'on cite dans une copie.

Critère	Croûte continentale sous les continents	Croûte océanique sous les océans	Manteau lithosphérique, puis asthénosphère et manteau profond	Noyau externe de 2 900 à 5 150 km	Graine de 5 150 à 6 371 km
Épaisseur ou profondeur	30 km en moyenne	environ 7 km	jusqu'à 2 900 km	2 250 km d'épaisseur	rayon de 1 221 km
Roche ou matériau	granite surtout	basalte sur gabbro	péridotite	fer surtout	fer surtout
Masse volumique	$2{,}7\ \mathrm{g/cm^{3}}$	$2{,}9$ à $3{,}0\ \mathrm{g/cm^{3}}$	$3{,}3$ en haut, plus de $5$ en bas	environ $10$ à $12$	environ $13$
État et comportement	solide, rigide (dans la lithosphère)	solide, rigide (dans la lithosphère)	rigide dans la lithosphère, ductile dessous, toujours solide	liquide	solide
Ce qui le montre	forages, hodochrones (Moho vers 30 km)	faille Vema, forages, hodochrones (Moho vers 7 km)	les ondes S le traversent	ondes S arrêtées, ondes P ralenties, zone d'ombre	ondes P faibles dans la zone d'ombre (Lehmann), ondes P plus rapides

Croûte continentale sous les continents

Épaisseur ou profondeur: 30 km en moyenne
Roche ou matériau: granite surtout
Masse volumique: $2{,}7\ \mathrm{g/cm^{3}}$
État et comportement: solide, rigide (dans la lithosphère)
Ce qui le montre: forages, hodochrones (Moho vers 30 km)

Croûte océanique sous les océans

Épaisseur ou profondeur: environ 7 km
Roche ou matériau: basalte sur gabbro
Masse volumique: $2{,}9$ à $3{,}0\ \mathrm{g/cm^{3}}$
État et comportement: solide, rigide (dans la lithosphère)
Ce qui le montre: faille Vema, forages, hodochrones (Moho vers 7 km)

Manteau lithosphérique, puis asthénosphère et manteau profond

Épaisseur ou profondeur: jusqu'à 2 900 km
Roche ou matériau: péridotite
Masse volumique: $3{,}3$ en haut, plus de $5$ en bas
État et comportement: rigide dans la lithosphère, ductile dessous, toujours solide
Ce qui le montre: les ondes S le traversent

Noyau externe de 2 900 à 5 150 km

Épaisseur ou profondeur: 2 250 km d'épaisseur
Roche ou matériau: fer surtout
Masse volumique: environ $10$ à $12$
État et comportement: liquide
Ce qui le montre: ondes S arrêtées, ondes P ralenties, zone d'ombre

Graine de 5 150 à 6 371 km

Épaisseur ou profondeur: rayon de 1 221 km
Roche ou matériau: fer surtout
Masse volumique: environ $13$
État et comportement: solide
Ce qui le montre: ondes P faibles dans la zone d'ombre (Lehmann), ondes P plus rapides

Légende : les mots du tableau

Rigide: qui ne se déforme presque pas et casse sous de fortes contraintes : c'est là que naissent les séismes.
Ductile: qui se déforme lentement, sans casser, comme la glace d'un glacier ; une roche ductile reste solide.
Lithosphère: la croûte et le manteau lithosphérique réunis, rigides ; sa base est vers 1 300 °C.
Asthénosphère: le manteau solide mais ductile situé sous la lithosphère.
Moho: la discontinuité de Mohorovičić, limite de nature entre la croûte et le manteau.

La lithosphère n'a pas de colonne : elle chevauche les colonnes « croûte » et « manteau ». C'est tout le piège du chapitre.

L'essentiel

Deux découpages qui ne coïncident pas

• Par la NATURE des roches : croûte, manteau, noyau. Limites : le Moho, puis la discontinuité de Gutenberg vers 2 900 km, celle de Lehmann vers 5 150 km.
• Par le COMPORTEMENT : lithosphère rigide (croûte + manteau lithosphérique), asthénosphère ductile mais solide, noyau externe liquide, graine solide.
• La base de la lithosphère est une limite thermique, vers $1\ 300\ ^{\circ}\mathrm{C}$ : vers 100 km sous un océan, 150 à 200 km sous un vieux continent.
• La croûte continentale (30 km, granite, $2{,}7$ ) et la croûte océanique (7 km, basalte et gabbro, $2{,}9$ à $3{,}0$ ) expliquent les deux pics de la courbe des altitudes.

À l'échelle : la croûte change d'épaisseur (7 km contre 30 km) au trait plein du Moho, la lithosphère (100 km contre 170 km) au pointillé, dans la même péridotite.

Le correcteur cherche d'abord si « lithosphère » et « croûte » sont confondues : c'est la première ligne à relire.

Ce que disent les ondes sismiques

• Un séisme : des contraintes accumulées dépassent la résistance des roches, qui cassent brutalement le long d'une faille ; l'énergie part en ondes.
• Ondes P : les plus rapides, traversent solides et liquides. Ondes S : plus lentes, arrêtées par les liquides.
• La vitesse dépend surtout de la rigidité du milieu : elle baisse quand la roche est plus chaude, et chute dans un liquide.
• Une onde qui passe dans un milieu plus lent se rapproche de la normale : $\dfrac{\sin i_{1}}{v_{1}}=\dfrac{\sin i_{2}}{v_{2}}$ . D'où la zone d'ombre des ondes P, de 103° à 143° environ.

Ce que disent les températures

• Gradient géothermique de surface : de 10 à 30 °C/km selon le lieu (30 °C/km en moyenne citée).
• Dans la lithosphère, la chaleur passe par conduction, sans déplacement de matière : fort gradient.
• Dans le manteau, la convection transporte la chaleur avec la matière : gradient faible, de l'ordre de $0{,}5\ ^{\circ}\mathrm{C/km}$ .
• Tomographie : écarts de vitesse de quelques pour cent au modèle PREM ; lent = plus chaud, rapide = plus froid.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Confondre la lithosphère avec la croûte

toute la question, et souvent la suite (exercices 1, 4 et 8 de la série)

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La lithosphère, c'est la croûte terrestre, et elle repose sur le manteau. »

Ce qu'il faut écrire

« La lithosphère comprend la croûte et le manteau lithosphérique ; sa base, vers 1 300 °C, est dans le manteau. »

Pourquoi : Le Moho sépare deux roches, la base de la lithosphère deux comportements de la même roche. Les confondre fait placer les plaques à 7 ou 30 km d'épaisseur.

2. Croire l'asthénosphère liquide

1 à 2 points, et la conclusion d'un exposé (exercices 2, 5 et 8)

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Les plaques flottent sur l'asthénosphère, une couche de magma. »

Ce qu'il faut écrire

« L'asthénosphère est une péridotite solide, plus chaude donc plus ductile ; les ondes S la traversent. »

Pourquoi : La zone de moindre vitesse ne dit pas « liquide » : une très faible fraction de liquide, autour de 1 %, peut exister entre les grains, la roche reste solide.

3. Relier la vitesse des ondes à la densité

1 point par justification fausse

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Les ondes accélèrent avec la profondeur parce que les roches sont plus denses. »

Ce qu'il faut écrire

« La vitesse dépend surtout de la rigidité : à l'entrée du noyau, plus dense, les ondes P ralentissent de 13,7 à 8,0 km/s et les ondes S disparaissent. »

Vers 2 900 km, la masse volumique bondit de 5,6 à près de 10 alors que les ondes P ralentissent et que les ondes S s'annulent : la vitesse ne suit pas la densité.

Pourquoi : Le noyau externe est presque deux fois plus dense que le bas du manteau, et pourtant les ondes y vont plus lentement : c'est un liquide.

4. Prolonger le gradient de surface jusqu'au centre

la question de critique entière (exercices 8 et 9)

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Avec 30 °C/km, il fait $30\times 6\ 371\approx 190\ 000\ ^{\circ}\mathrm{C}$ au centre de la Terre. »

Ce qu'il faut écrire

« Ce gradient ne vaut que dans la lithosphère, où la chaleur passe par conduction ; prolongé, il ferait fondre le manteau dès quelques dizaines de kilomètres, ce que les ondes S démentent. »

La droite à 30 °C/km franchit la courbe de début de fusion de la péridotite vers 40 km ; le profil estimé reste à gauche : le manteau reste solide.

Pourquoi : Le programme demande le calcul ET sa critique au regard de l'état physique des matériaux : le résultat seul ne rapporte presque rien.

5. Comparer des rayons au lieu de volumes

1 point (exercice 4)

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le noyau a un rayon de 3 480 km sur 6 371 : il occupe 55 % de la Terre. »

Ce qu'il faut écrire

« Le rapport des volumes est le cube du rapport des rayons : $0{,}546^{3}\approx 0{,}163$ , soit 16 % du volume. »

Pourquoi : Les volumes varient comme le cube des longueurs ; un dessin en coupe trompe l'œil de la même façon.

6. Prendre le rivage pour la limite des continents

1 point (exercice 6)

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Les continents couvrent 29 % de la surface terrestre, la part au-dessus de la mer. »

Ce qu'il faut écrire

« Avec les plateaux continentaux, sous une mer peu profonde, la croûte continentale couvre plus du tiers de la surface. »

Pourquoi : La limite entre les deux croûtes est géologique : elle passe au pied du talus continental, sous la mer, pas sur la plage.

7. Lire une anomalie de tomographie comme du magma

1 à 2 points (exercice 10)

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La tache orange, sous le point chaud, est une poche de magma. »

Ce qu'il faut écrire

« Les ondes y sont 1 à 2 % plus lentes que dans PREM : la roche, solide, y est plus chaude de quelques centaines de degrés. »

Pourquoi : Le programme insiste sur l'amplitude : quelques pour cent du modèle de référence, ni liquide ni autre roche.

8. Croire la graine solide parce que plus froide

1 point (exercice 1)

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La graine est solide car elle est plus froide que le noyau externe. »

Ce qu'il faut écrire

« La graine est plus chaude, mais la pression y élève la température de fusion du fer au-dessus de la température qui y règne : elle est solide. »

Pourquoi : L'état d'un matériau dépend de la température ET de la pression ; vers le centre, les deux augmentent.

Quelle méthode choisir

Quel état, quelle enveloppe ? Décider d'après ce que font les ondes

On regarde ce qui arrive aux ondes S, puis aux ondes P, à la profondeur ou à la distance étudiée.

Trajets calculés : les ondes P du manteau s'arrêtent vers 103°, celles qui traversent le noyau ressortent au-delà de 143° ; les ondes S, à gauche, s'arrêtent à 103°.

Si les ondes S passent → le milieu est SOLIDE, même s'il est ductile

Exemple : manteau, asthénosphère comprise : $v_{S}$ de 4,5 à 7,3 km/s
Si les ondes S sont arrêtées et les ondes P ralentissent brutalement → le milieu est LIQUIDE

Exemple : noyau externe : $v_{P}$ passe de 13,7 à 8,0 km/s, plus d'ondes S directes au-delà de 103°
Si la vitesse baisse un peu sur une épaisseur, sans que les ondes S disparaissent → roche solide plus chaude, proche de sa fusion : zone de moindre vitesse

Exemple : sous un océan, de 80 à 200 km environ
Si la vitesse change brusquement à une profondeur précise → une discontinuité : changement de nature ou d'état

Exemple : Moho : $v_{P}$ de 6,8 à 8,0 km/s vers 30 km sous un continent
Si des ondes manquent sur une bande de distances → une zone d'ombre, due à la réfraction sur un milieu plus lent

Exemple : ondes P absentes de 103° à 143° : le noyau dévie les ondes vers le centre

Si aucune branche ne s'applique, revenir au document : on conclut sur le problème posé, jamais sur une forme de courbe isolée.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Exploiter un document de géologie

Quand l'utiliser : La consigne dit « montrez que », « expliquez pourquoi » ou « à l'aide du document ».

1 Relever l'information UTILE, chiffrée, avec son unité : « je vois que... ».
2 La relier à une connaissance du cours : « or je sais que... ».
3 En tirer une conclusion partielle : « j'en déduis que... ».
4 Comparer à un témoin ou à un autre document quand il y en a un, une seule variable changeant à la fois.
5 Conclure sur le PROBLÈME posé, en croisant les conclusions partielles.

Phrase de conclusion

« Je vois qu'aucune onde S directe n'est reçue au-delà de 103°. Or les ondes S ne se propagent pas dans un liquide. J'en déduis que le noyau externe, que traversent les trajets vers ces stations, est liquide. »

Le piège : Recopier le document sans le relier au cours : la description seule rapporte peu.

Barème : Extraction des informations utiles, mise en relation avec les connaissances, démarche qui conclut sur le problème.

Rédiger un exposé structuré

Quand l'utiliser : La consigne commence par « Expliquez comment... » et les documents sont annoncés comme une aide.

1 Introduction : poser le problème en une ou deux phrases, sans répondre.
2 Développement en deux ou trois parties titrées, une idée par paragraphe.
3 Chaque idée appuyée par un chiffre ou un exemple : 7 km et 30 km, 1 300 °C, 103°.
4 Le vocabulaire exact : lithosphère, asthénosphère, ductile, rigide, Moho, zone de moindre vitesse.
5 Conclusion qui répond à la question posée, en une ou deux phrases.

Phrase de conclusion

« La lithosphère et l'asthénosphère sont la même péridotite dans deux comportements différents ; leur limite, vers 1 300 °C, est plus profonde sous un vieux continent, plus froid, que sous un océan. »

Barème : Organisation, exactitude et complétude des connaissances, exemples à l'appui.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

Une vitesse d'onde plausible

Les ondes P vont de 6 km/s dans la croûte à 13,7 km/s au bas du manteau ; les ondes S, environ 1,7 à 1,9 fois moins vite.

Une onde P calculée à 60 km/s ou à 0,6 km/s trahit une erreur d'unité, souvent des minutes prises pour des secondes.
Une température compatible avec l'état des roches

Toute température interne se confronte à l'état connu par les ondes : manteau solide, noyau externe liquide, graine solide.

Une température de près de 3 000 °C à 100 km rendrait le manteau liquide : le modèle qui la donne est faux.
Le sens de la réfraction

Une onde qui entre dans un milieu plus lent doit avoir un angle de réfraction plus PETIT que l'angle d'incidence.

De 13,7 à 8,0 km/s, une incidence de 40° donne 22° ; trouver plus de 40° signale un rapport des vitesses inversé.
Un rapport de volumes au cube

Un pourcentage de volume se calcule avec le cube des rayons ; il est toujours bien plus petit que le rapport des rayons.

Pour le noyau, 55 % est le rapport des rayons ; le volume ne fait que 16 %.

L'exercice type décortiqué

Calculer la profondeur du Moho sous une chaîne de montagnes

Un profil sismique traverse une chaîne de montagnes. Sur les hodochrones, l'onde directe passe par le point (124 km ; 20,0 s), l'onde réfractée sur le Moho par (300 km ; 45,3 s) et (500 km ; 70,0 s).

Calculez la profondeur du Moho sous la chaîne, avec $h=\dfrac{x_{c}}{2}\sqrt{\dfrac{v_{2}-v_{1}}{v_{2}+v_{1}}}$ , où $x_{c}$ est la distance à laquelle les deux droites se croisent, puis commentez.

Les premières arrivées suivent l'onde directe près de la source, puis l'onde réfractée, plus rapide, au-delà du croisement.

Étape 1

$v_{1}=\dfrac{124}{20{,}0}=6{,}2\ \mathrm{km/s}$

Pourquoi

L'onde directe part de la source à l'instant 0 : un seul point de sa droite suffit. C'est une vitesse de croûte.

Étape 2

$v_{2}=\dfrac{500-300}{70{,}0-45{,}3}=\dfrac{200}{24{,}7}\approx 8{,}1\ \mathrm{km/s}$

Pourquoi

La droite réfractée ne passe pas par l'origine : on prend la PENTE entre deux points, jamais un seul point. C'est la vitesse du manteau sous le Moho.

Étape 3

$x_{c}\approx 220\ \mathrm{km}$ , lu au croisement des deux droites

Pourquoi

Avant le croisement, l'onde directe arrive la première ; au-delà, l'onde qui a voyagé dans le manteau, plus rapide, la dépasse.

Étape 4

$h=\dfrac{220}{2}\sqrt{\dfrac{8{,}1-6{,}2}{8{,}1+6{,}2}}=110\times\sqrt{\dfrac{1{,}9}{14{,}3}}\approx 110\times 0{,}365\approx 40\ \mathrm{km}$

Pourquoi

La formule est fournie : on vérifie seulement que $v_{1}$ est la vitesse de la croûte et $v_{2}$ celle du manteau, sans les inverser.

Étape 5

Contrôle : $40\ \mathrm{km}$ est plus que les 30 km moyens d'une croûte continentale.

Pourquoi

Une croûte plus épaisse sous un relief est attendue ; un résultat de 4 km ou de 400 km signalerait une erreur de lecture ou d'unité.

Conclusion rédigée

« Sous la chaîne, le Moho est à environ 40 km : la croûte continentale y est plus épaisse que les 30 km moyens. »

L'erreur classique sur cet exercice : Calculer $v_{2}$ avec un seul point de la droite réfractée ( $\dfrac{300}{45{,}3}\approx 6{,}6$ km/s), ce qui revient à la faire passer par l'origine.

À savoir par cœur

• Croûte continentale : 30 km, granite, 2,7. Croûte océanique : 7 km, basalte sur gabbro, 2,9 à 3,0. Manteau : péridotite, 3,3.
• Lithosphère = croûte + manteau lithosphérique, RIGIDE ; asthénosphère SOLIDE mais ductile ; limite vers 1 300 °C.
• Ondes P : solides et liquides. Ondes S : solides SEULEMENT. La vitesse suit la rigidité, pas la densité.
• Moho, Gutenberg (2 900 km), Lehmann (5 150 km) ; noyau externe liquide, graine solide.
• Zone d'ombre des ondes P : 103° à 143° ; pas d'ondes S directes au-delà de 103°.
• Lithosphère : conduction, fort gradient (30 °C/km en surface) ; manteau : convection, gradient faible (0,5 °C/km).
• Tomographie : quelques pour cent d'écart à PREM ; lent = plus chaud, rapide = plus froid, toujours solide.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre la lithosphère et la croûte terrestre ?

La croûte est une couche définie par la nature de ses roches : granite sous les continents, basalte et gabbro sous les océans. La lithosphère est définie par son comportement rigide : elle comprend la croûte et la partie supérieure du manteau. Elle mesure environ 100 km sous un océan et 150 à 200 km sous un vieux continent, bien plus que la croûte.

L'asthénosphère est-elle liquide ?

Non. L'asthénosphère est une péridotite solide, que les ondes S traversent. Elle est seulement plus chaude que la lithosphère, donc plus ductile : elle se déforme très lentement sans casser. Une très faible fraction de liquide peut exister entre les grains vers 100 km, ce qui ralentit les ondes, mais la roche reste solide.

Comment sait-on que le noyau externe est liquide ?

Par les ondes sismiques. Les ondes S, qui ne traversent pas les liquides, ne sont plus reçues au-delà de 103 degrés de l'épicentre, là où leurs trajets devraient passer par le noyau. Les ondes P, elles, ralentissent brutalement en y entrant, de 13,7 à 8 kilomètres par seconde, ce qui crée la zone d'ombre entre 103 et 143 degrés.

Pourquoi ne peut-on pas calculer la température au centre de la Terre avec le gradient de surface ?

Parce que ce gradient, environ 30 degrés par kilomètre, ne vaut que dans la lithosphère, où la chaleur passe par conduction. Prolongé jusqu'au centre, il donnerait près de 190 000 degrés et un manteau fondu dès quelques dizaines de kilomètres, ce que contredisent les ondes S. Dans le manteau, la convection transporte la chaleur avec un gradient beaucoup plus faible.

Que montre une carte de tomographie sismique ?

Elle montre les régions du manteau où les ondes vont un peu plus vite ou un peu plus lentement que dans le modèle de référence PREM, de quelques pour cent au plus. Une zone lente est interprétée comme plus chaude, une zone rapide comme plus froide : ce sont les courants montants et descendants de la convection, dans un manteau qui reste solide.

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© Ahmed Squalli Houssaini. Fiche publiée sur www.letuteurscientifique.ca/fiches/1svt-structure-globe. Libre pour l'usage personnel et en classe ; sa republication ailleurs demande une autorisation écrite (mentions légales).

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Légende : les mots du tableau

L'essentiel

Deux découpages qui ne coïncident pas

Ce que disent les ondes sismiques

Ce que disent les températures

Les pièges qui coûtent des points

1. Confondre la lithosphère avec la croûte

2. Croire l'asthénosphère liquide

3. Relier la vitesse des ondes à la densité

4. Prolonger le gradient de surface jusqu'au centre

5. Comparer des rayons au lieu de volumes

6. Prendre le rivage pour la limite des continents

7. Lire une anomalie de tomographie comme du magma

8. Croire la graine solide parce que plus froide

Quelle méthode choisir

Quel état, quelle enveloppe ? Décider d'après ce que font les ondes

La rédaction attendue

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L'exercice type décortiqué

Calculer la profondeur du Moho sous une chaîne de montagnes

À savoir par cœur

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre la lithosphère et la croûte terrestre ?

L'asthénosphère est-elle liquide ?

Comment sait-on que le noyau externe est liquide ?

Pourquoi ne peut-on pas calculer la température au centre de la Terre avec le gradient de surface ?

Que montre une carte de tomographie sismique ?

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