St1

Sciences de la Terre et de l’Univers

Comprendre le fonctionnement des milieux naturels du centre de la Terre aux confins de l’Univers est un enjeu de connaissance qui répond : 1- A des interrogations de recherche fondamentale. * Les origines ? Origine de l’Univers, des étoiles,des planètes, de la Terre, de la Vie sur Terre, de l’Homme, … * Notre histoire ? Age et histoire de la Terre, de la Vie sur Terre, histoire des étoiles,… * La Vie extra-terrestre ? * Les confins de l’Univers , et au-delà ? * Forme, structure et dynamique de la Terre? * Le fonctionnement de la Terre ? Où, quand, comment, des océans, des chaînes de montagnes, des volcans, des séismes, des extinctions massives, …? * Le devenir des milieux naturels et les futurs possibles ?

2 – A des interrogations sociétales en terme de développement durable. * Le changement climatique et ses impacts. * Les aléas et risques naturels majeurs : séismes, volcans, glissements de terrains, tsunamis, tempêtes, inondations, variations du niveau des océans, … * Les impacts des météorites (géocroiseurs). * Les variations de l’activité solaire. * Les impacts anthropiques sur les milieux naturels. * Les ressources naturelles : Eau, hydrocarbures, gaz, métaux précieux, industriels et stratégiques, géothermie , … * Les déchets et les stockages : CO2, déchets nucléaires, …

Objectif en L1: Une description globale du système Terre

Les différentes disciplines ?

Galaxies

Etoiles

Planètes

Astrophysique et Planétologie comparée

Les Sciences qui traitent de la composition de la Terre 1- Éléments chimiques : O + Fe + Mg+ Si

Géochimie (biochimie) 2-Minéraux (<=> cellules): Olivines , (Mg,Fe)SiO4.

Minéralogie (cytologie) 3- Roches (<=> tissus) : Péridotites

Pétrologie (histologie).

Les Sciences qui traitent de la structure de la Terre Géophysique Sismologie

Gravimétrie

Magnétisme

La Science qui traite de la déformation des matériaux terrestres Tectonique

La Science qui étudie les reliefs de la Terre Géomorphologie

La Science qui étudie les fossiles , l’histoire de la Vie et l’Evolution Paléontologie

Les Sciences qui traitent de la Dynamique de la Terre

Géodynamique Interne

Géodynamique Externe

Géodynamique Externe

Géodynamique Interne

Ages et Durées des phénomènes et processus géologiques ? Mesure du Temps Géochronologie

Relative

Absolue

Objectif en L1: Une description globale du système Terre

Les différentes méthodes ?

Les recherches reposent sur la qualité d’observations à caractère pérenne portant sur des milieux naturels, fortement hétérogènes et évolutifs, marqués par une physique complexe associant des phénomènes d’échelles spatiales et temporelles très différentes. Des mots – clés : observer…analyser…traiter… archiver…surveiller…modéliser… comprendre … prévoir ! Le Géologue est un véhicule tous terrains!!!

La Terre : Une planète tellurique du système solaire.

Données de la Cosmochimie

La Terre : Une planète tellurique du système solaire

Chimie de l’Univers

Structure de la Terre Les zones profondes de la Terre ?

Modèle sismologique de la Terre

connaître les zones profondes connaître connaître les zones etzones inaccessibles les profondes ? profondes ? du globe ?

L’échographie sismique du globe terrestre ou la sismologie, un outil d’exploration de la

Qu'est ce qu'un Tremblement de Terre ?

Un TdT est un ébranlement du sol dû à l'arrivée d'ondes élastiques, issues d'un lieu appelé foyer ou source.

Le FOYER (ou Hypocentre) est le point sur la faille où s'initie le séisme. L'ÉPICENTRE est la projection sur la surface du sol de l'hypocentre.

Combien y­en­a­t­il par an ? De l'ordre de 2 millions de séismes se produisent chaque année sur la Terre.

Trois classes de séismes selon leur profondeur : H ≤ 60 km : 60 km ≤ H ≤ 300 km : 300 km ≤ H ≤ 700 km :

séismes superficiels (80 %) séismes intermédiaires séismes profonds

D ’où vient cette rupture de la roche ? Elle est issue de l’énergie qui s’est accumulée dans la roche pendant des dizaines d’années et/ou millions d ’années sous l ’effet des contraintes tectoniques extérieures (mouvement des plaques, montée de magma,…).

L’action d’une contrainte (pression) Déformation du milieu Rupture du milieu 

Elasticité - Plasticité - Rupture sont des comportements successifs de la matière continue lorsqu'elle est soumise à un état de contrainte. Déformation plastique C o n t r a i n t e

seuil de rupture = séisme

Déformation élastique Limite D'élasticité Déformation

Lors de la rupture de l’énergie est libérée sous la forme d’ondes élastiques ­­> séisme.

Comment mesure­t­on ces ondes ?

À l ’aide d ’un sismomètre

Séismes et ondes sismiques L’analyse de sismogrammes montre une diversité d’ondes : ondes de volume P et S, ondes de surface L.

Les ondes: transmission de l’Energie libérée

Vitesses des ondes sismiques

Vp = √

ĸ+4/3µ ρ

Vs = √

µ/ρ

ĸ: module d’incompressibilité ; µ: module de rigidité (cisaillement); ρ: masse volumique . Pour un fluide, µ = 0. La vitesse d’une onde ne dépend que des propriétés mécaniques du milieu traversé!

Gutemberg Lehman

Entre croûte et manteau, une structure plus complexe Moho

LVZ manteau sup. Zone de transition

manteau inf.

Modèle sismologique du globe terrestre. Cette particularité sismique permet de définir un nouveau découpage du globe avec l’asthénosphère séparant deux assises plus rigides, la lithosphère (croûte et manteau sup.) et mésosphère (manteau inf.) lithosphère

croûte

asthénosphère manteau mésosphère

noyau

Litho, asthéno et méso sphère

Modèles chimiques, minéralogiques et pétrologiques de la Terre Ou La Terre en treize minéraux !

Les 3 façons de décrire la composition de la Terre 1- Éléments chimiques : O + Fe + Mg+ Si Géochimie 2-Minéraux (<=> cellules): Olivines , (Mg,Fe)SiO4. Minéralogie 3- Roches (<=> tissus) : Péridotites Pétrologie

Chimie de la Terre

Noyau métallique , Fe solide ou liquide.

Manteau et croûtes: O et Si dominent => une base de SiO4 et les minéraux dominants seront des polymères de SiO4 = silicates (95 % des minéraux) ! Manteau : O, Mg, Si, Fe => minéral dominant (52%) est l’olivine de formule (Mg,Fe)SiO4.

1- Olivine (55%).

2- Pyroxènes ( 28 %) 3- Grenats ( 17 %)

4- Perovskite + Majorite (grenat bizarre)

… Pérovskite 5- Oxydes

Chimie de la Terre

Noyau métallique , Fe solide ou liquide.

Manteau et croûtes: O et Si dominent => une base de SiO4 et les minéraux dominants seront des polymères de SiO4 = silicates (95 % des minéraux) ! Manteau : O, Mg, Si, Fe => minéral dominant (52%) est l’olivine de formule (Mg,Fe)SiO4.

Croûte océanique : O, Si, Al, Ca, Na, Fe, Mg, … 6- Plagioclase

Croûte océanique : O, Si, Al, Ca, Na, Fe, Mg, …

Pyroxènes

+ Oxydes (Fe, Mg)

Croûte océanique : O, Si, Al, Ca, Na, Fe, Mg, + H2O !!

7 - Amphiboles

Chimie de la Terre

Croûte continentale: Si très abondant , toujours en excès SiO2 (quartz). Quantité significative de K et de H2O.

8- Quartz; 9- F.K.; 10- Micas; 11- Silicate d’Al .

Et en surface de la Terre ? 12- Calcite, 13 – Argiles , + Quartz, …

Modèles sismologique et pétrologique du globe terrestre Sédiments

Granites + roches métamorphiques

Basaltes + Gabbros

croûtes

lithosphère

asthénosphère

Péridotites + Eclogites

manteau

mésosphère

noyau

Dynamique de la Terre ? • La Terre est une machine thermique qui évolue lentement. • Modèle thermique de la Terre.

Modèles thermiques de la Terre Flux : Quantité de chaleur, ∂Q, qui traverse une surface S en un temps ∂t.

q = 1/S . ∂Q / ∂t

Géothermie: 1 – Origine de la chaleur terrestre ? 2 – Mécanismes de transfert de la chaleur ? 3 – Géométrie du gradient de température ?

Lithosphère Flux réduit + radioactivité (q)

q q

K, U, Th

q q

Q2

Chaleur dégagée par le Manteau ≈ 42.10¹² W.

Seule une fraction est transférée à la lithosphère, pourquoi?

Manteau profond Radioactivité M

Chaleur primitive (accrétion)

Q1 Radioactivité N

Mouvements différentiels Chaleur latente de cristallisation

Noyau Externe

Mécanismes de transferts de chaleur ?

Rayonnement : transfert dans le vide. Convection : transfert par fluide en mouvement . Conduction : transfert par diffusion dans un milieu immobile.

Différents mécanismes de transferts sont identifiables

Fort gradient de T°C

Homogénéisation partielle ou totale de la T°C

2 modèles de transferts ?

Convection à 2 couches

Convection à 1 couche

Sommes- nous sûrs de la convection du manteau ? g: accélération de la de pesanteur; d: densité Si l’augmentation verticale la température est suffisamment forte pour dominer l’effet de la pression, alors la partie chaude plus légère α:monte coefficient de froide dilatation thermique; h: hauteur ; dont la et la partie descend. C’est la convection thermique force motrice est la Force d’Archimède. ΔT: T-To ;

‫ט‬

viscosité; :ĸ : diffusivité thermique.

_ _ _ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _

g

To

‫ט‬, ĸ P

ΔT

h fA

α => d T

+ + + + + + + + +

q

+ + + + + + +

g.α.h³.ΔT CONVECTABILITE =

---------------- = Ra : Nombre de Rayleigh

‫ט‬.ĸ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Si Ra > 2. 10³, convection efficace _ _ _ _ _ _ _

g

To

‫ט‬, ĸ P

ΔT

h fA

α => d T

+ + + + + + + + +

q

+ + + + + + +

Pour le Manteau terrestre

5

α = 2. 10ˉ Kˉ¹ 6

ĸ = 10ˉ m². sˉ¹

Ra ≈ 10 m

16−17

10 = ‫ט‬² . sˉ¹

h = 2700 km

8

c’est-à-dire 1000 à 10.000 fois le seuil critique !!

Un Manteau convectif

Une lithosphère conductrice Flux réduit + radioactivité (q) q q

K, U, Th Ao

q

Equation de conduction de la chaleur dans la lithosphère Variations de T avec la profondeur ? ∂T par rapport à ∂z Modifications de T au cours du temps ? ∂T quand ∂t Quantité de chaleur disponible ? Sources (Ao)

6

Capacité de transfert de la chaleur ? Diffusivité thermique, ĸ= 10ˉ m².sˉ¹ Modifications de T quand le milieu se déplace ? ∂T quand il y a u.

Loi de FOURIER u . ∂T/∂z + ∂T/∂t = k . ∂²T/ ∂z² + Ao/ρ.Cp Zone stable?

(1)

U = 0 , pas de mouvement. ∂T/∂t =0, T=cte au cours du temps.

=>

(1)  ∂²T/ ∂z² = - (Ao/ρ.Cp) / k Toute solution sera de la forme : T =- (Ao/2k). z² + qo.Z

+ To

T = a.Z² + B.Z + c, équation d’une parabole.

Reliefs du Rift est – Africain : failles normales et cônes volcaniques

Eléments de Géologie, par Pomerol, Lagabrielle et Renard. Dunod éditeur, 12ème éd.

Les dorsales océaniques : un relief à l’échelle des océans. A. carte de localisation et noms des dorsales (taux d ’ouverture en mm/an, soit en km/Ma)

B. 3 coupes bathymétriques de référence (ces coupes sont redessinées d’après les originaux de Heezen et Ewing, 1963)

C. Superposition des 3 profils moyens B

Deux modes extrêmes d’expansion de la lithosphère océanique

Ecartement des plaques et apport de matériel magmatique nouveau

Magmatisme dominant

Extension amagmatique de la lithosphère pré-existante

Tectonique dominante

Partie superficielle de la croûte océanique

Fumeurs noirs: sources hydrothermales

Laves qui s’écoulent difficilement: Basaltes en coussins

Hydrothermalisme : 7.2 % du flux de chaleur mondial Hydrothermalisme : 80% du flux thermique aux dorsales

La croûte océanique Filon de basalte

Lave en coussin: basaltes

Gabbros

L ’origine des magmas = la fusion partielle du manteau

S+L S

L

Chaînes de subduction. Relief continental positif

Tectonique + volcanisme

Fosse résulte du déplacement de la plaque plongeante.

Marge Active

Les marges actives : exemple des reliefs océaniques du pourtour Pacifique Des fosses, Mais aussi des bassins !

Les deux subductions et leurs morphologies spécifiques

Marqueurs Géologiques dans les Andes

Axes des plis

Structures Tectoniques Socle Précambrien Magmatisme: plutons et volcans Chevauchements

Plutons Volcanisme

Enclave Granite

Coupe schématique des Andes

0

0

100

Plis, failles inverses, chevauchements : Raccourcissement/Epaississement Magmatisme : Croissance crustale

Evolution schématique de la subduction dans les Andes du Pérou

5 M.a.

25 M.a.

95 M.a.

L’alimentation sédimentaire du prisme d’accrétion.

Les marqueurs magmatiques de la subduction

Origine du magmatisme de subduction

(source)

Fusion hydratée, forte interaction Eau/magmas

Fusion partielle hydratée à des profondeurs de l’ordre de 100 km .

Dynamismes éruptifs : forte interaction eau/magma et viscosité des laves

Montserrat, Août 1997

Après la Subduction, …la Collision continentale

Collision Continentale :Instabilités mécaniques Séismes + Chaînes de Montagnes

Les reliefs = Marqueurs topographiques de la collision continentale

Situés à l ’aplomb des racines orogéniques, où la croûte continentale est épaissie.

Plis; failles inverses; chevauchements,… Marqueurs tectoniques de la collision continentale

Structures tectoniques = Raccourcissement et épaississement

Anomalie topographique positive

Moteurs de la Tectonique des plaques ?

Moteurs de la tectonique de plaques

Les reliefs océaniques intra-plaques : Témoins des points chauds

Grands reliefs volcaniques océaniques

Expression superficielle des panaches et des points chauds

Alignements de cônes volcaniques sous-marins chaîne ou ride volcanique

Bombement et épaississement de la lithosphère océanique

Provinces magmatiques géantes: plateaux océaniques et Trapps.

Le relief paradoxal de l’islande : Une dorsale émergée !! Interaction point chaud / dorsale