La Terre : Structure, Temps Géologique, Atmosphère et Hydrosphère

Les méthodes directes d'étude sont celles qui fournissent des données directement vérifiables sur l'objet d'étude. Les méthodes indirectes, quant à elles, sont appliquées pour obtenir des informations sur des objets et des matériaux qui ne peuvent pas être manipulés directement.

Méthodes d'Étude de la Terre

Méthodes Indirectes d'Exploration

Méthode Sismique

L'étude des tremblements de terre, qui sont des vibrations de la croûte terrestre, est enregistrée sous forme d'ondes sur un sismographe. Les ondes enregistrables sont les suivantes :

• Ondes P : primaires ou longitudinales, elles sont les premières à atteindre les sismographes et sont donc les plus rapides. Elles vibrent dans le même sens que l'onde. Leur vitesse de déplacement est ralentie par les liquides.
• Ondes S : secondaires ou transversales, elles sont les deuxièmes détectées par les sismographes et sont plus lentes que les ondes P. Elles vibrent perpendiculairement à l'onde et ne se propagent pas dans les fluides.
• Ondes L : longues ou de surface, elles sont les dernières détectées et les plus lentes, causant des dommages en surface.

Les ondes P et S sont celles qui nous fournissent des informations sur l'intérieur de la Terre. En étudiant la vitesse et le comportement des ondes P et S à travers l'intérieur de la Terre, des zones où des changements brusques de vitesse ont été observés. Ces zones, appelées discontinuités sismiques, sont considérées comme des limites entre des couches terrestres aux propriétés ou compositions différentes. Les principales sont :

• Mohorovičić
• Canal à faible vitesse (LVZ)
• Gutenberg
• Lehmann

Méthode Magnétique

Elle étudie et mesure le champ magnétique terrestre pour détecter d'éventuelles anomalies ou des changements magnétiques. Le champ magnétique terrestre est similaire à celui d'un dipôle magnétique, avec des points appelés Pôle Nord et Pôle Sud magnétiques. Aujourd'hui, le pôle Nord magnétique correspond au pôle Sud géographique et vice versa. Ce champ s'inverse périodiquement, un phénomène appelé variation séculaire. Cette modification de l'orientation des minéraux magnétiques est cruciale pour la datation des roches terrestres.

Méthode Gravimétrique

Elle étudie les petites variations de la gravité dues aux changements de relief et de densité des matériaux.

Autres Sources d'Information

• Étude de la densité : la densité moyenne de la Terre est de 5,5 g/cm³. Sachant que la densité de la croûte est d'environ 2,8 g/cm³, cela implique que le noyau doit être beaucoup plus dense.
• Étude des météorites : certaines ont conservé des traces de l'origine du système solaire. Leur composition, supposée similaire à celle de la Terre, permet de distinguer trois types de météorites :
  • Sidérites : constituées de fer (Fe) et de nickel (Ni) (similaires au noyau).
  • Sidéroplites : contenant un mélange de sidérites et de lithométéorites (similaires au manteau).
  • Lithométéorites : composées de silicates (similaires à la croûte).
• Études de géothermie : basées sur la production de chaleur de la planète. On distingue deux zones principales : les régions plus chaudes au niveau des dorsales et les zones plus froides au niveau des zones de subduction.
• Étude des matériaux éjectés par les volcans : permet de déterminer la composition chimique de la croûte et du manteau profond.

Structure et Composition Interne de la Terre

Composition Géochimique

La Terre est divisée en couches selon des discontinuités sismiques :

• La croûte continentale : couvre la zone correspondant à la surface terrestre émergée.
• La croûte océanique : plus mince que la précédente et correspond à la zone immergée.
• Discontinuité de Mohorovičić : située entre 3 et 70 km de profondeur.
• Manteau supérieur
• Canal à faible vitesse (LVZ) : zone du manteau supérieur.
• Manteau inférieur
• Discontinuité de Gutenberg : à environ 2900 km de profondeur.
• Noyau externe : liquide.
• Discontinuité de Lehmann : à environ 5150 km de profondeur.
• Noyau interne : solide.

Composition Dynamique

La Terre est divisée en couches selon leurs propriétés physiques et leur comportement mécanique :

• Lithosphère : couche rigide formée par la croûte et la partie supérieure du manteau, atteignant jusqu'à 250 km de profondeur.
• Asthénosphère : coïncide avec une partie du manteau supérieur. C'est une couche semi-visqueuse où les conditions de pression et de température permettent une fusion partielle des roches. Son existence est parfois débattue.
• Mésosphère : correspond à la partie inférieure du manteau.
• Couche D'' : une couche très mince à la base du manteau, potentiellement formée par une fusion partielle.
• Endosphère : équivalent au noyau externe et au noyau interne.

Structure et Composition de la Croûte

Les vitesses des ondes sismiques dans la croûte ne sont pas les mêmes dans les zones continentales et océaniques, ce qui permet de distinguer la croûte océanique et la croûte continentale.

La Croûte Océanique

Son âge ne dépasse jamais 180 millions d'années (Ma) en raison des phénomènes de subduction aux marges convergentes. On distingue :

• Structure Verticale :

  Couche de Sédiments de Surface :

  • Plus épaisse dans les zones de structures.
  • Sédiments plus épais près des marges continentales.
  • Moins épaisse sur les axes des dorsales.

  Couche de Basalte et Dykes Sous-Marins :

  • Basaltes en coussins (pillow lavas).
  • Dykes.

  Couche Inférieure de Roches Plutoniques :

  • Gabbros.
  • Pyroxénites.

• Structure Horizontale :

  La différence entre la croûte continentale et océanique est marquée par les zones émergées et immergées.

  1. Plateau continental : partie du continent couverte par l'eau des océans. Peu profond, avec peu de dénivelé. D'une grande valeur économique.
  2. Talus continental : structure continentale qui relie le plateau au fond de l'océan. Il présente une forte inclinaison et est souvent entaillé de vallées profondes et de canyons sous-marins.
  3. Fosse abyssale : dépressions profondes et étroites du plancher océanique. Elles sont proches des marges continentales actives ou des arcs insulaires et sont des zones sismiquement très actives.
  4. Plaine abyssale : constituée de croûte océanique, sa surface est presque plate.
  5. Élévations des fonds marins : peuvent être de différents types, comme des plateaux océaniques.
  6. Dorsales océaniques : systèmes de crêtes interconnectés avec une partie centrale appelée rift. Elles sont traversées transversalement par des failles transformantes et sont des zones d'intense activité sismique, volcanique et tectonique.

La Croûte Continentale

Elle est plus épaisse que la croûte océanique, mais sa densité est plus faible car elle est plus ancienne. Elle est principalement composée de granite. Traditionnellement, on distinguait trois niveaux :

• Niveau 1 : couche supérieure de roches sédimentaires et volcaniques, avec des intrusions granitiques.
• Niveau 2 : couche intermédiaire de roches plutoniques et métamorphiques.
• Niveau 3 : couche profonde de nature basique.

L'observation horizontale de la croûte continentale révèle trois types de structures :

• Boucliers : zones tectoniquement stables, géographiquement lisses, sans couche sédimentaire épaisse et couvertes de roches endogènes. Ils se trouvent généralement au centre des continents.
• Plateformes intérieures : zones de transition entre les boucliers et les chaînes orogéniques. Elles sont recouvertes d'une couche de roches sédimentaires.
• Chaînes orogéniques : structures épaissies comme les crêtes et les montagnes, situées près des marges convergentes.

L'interface entre les continents et les océans est appelée croûte transitionnelle.

Structure et Composition du Manteau

Le manteau est la couche intermédiaire qui s'étend de la discontinuité de Mohorovičić à celle de Gutenberg. Le canal à faible vitesse (LVZ) sépare la partie supérieure du manteau inférieur. La discontinuité de 670 km, due à des pressions élevées, peut expliquer l'absence de tremblements de terre profonds. Le manteau supérieur, avec la croûte, forme la lithosphère. La présence du canal à faible vitesse (LVZ) suggère que le manteau supérieur est partiellement fondu et est parfois appelé asthénosphère. Cependant, l'existence d'une asthénosphère continue est actuellement débattue, car le LVZ n'est pas présent partout. Sous le manteau supérieur se trouve le manteau inférieur, limité par la couche D''. La composition rocheuse du manteau supérieur est principalement des péridotites, riches en minéraux comme l'olivine et le pyroxène.

Structure et Composition du Noyau Terrestre

C'est la couche la plus interne de la Terre, qui s'étend de la discontinuité de Gutenberg au centre de la Terre. La discontinuité de Lehmann sépare le noyau externe liquide du noyau interne solide. La densité calculée pour le noyau et l'existence d'un champ magnétique bipolaire ne sont possibles que pour un métal comme le fer, mais il est allié au nickel.

Géologie et Temps Géologique

Divisions du Temps Géologique

Les premières divisions sont les suivantes :

• Asymétrie : séparation de deux ensembles de matériaux différemment plissés.
• Extinctions d'espèces : certains fossiles ne sont plus trouvés dans les roches à un moment donné de l'histoire.

Nous avons identifié trois groupes de matériaux principaux :

• Matériaux primaires : caractérisés par des roches très plissées et métamorphisées, contenant des fossiles d'organismes anciens. Cette époque est appelée le Paléozoïque.
• Matériaux secondaires : roches sédimentaires moins plissées, avec des organismes très similaires à ceux de l'époque. Cette époque est appelée l'ère Mésozoïque.
• Matériaux tertiaires : peu ou pas plissés, contenant des fossiles d'organismes très semblables à ceux d'aujourd'hui. C'est l'ère Cénozoïque.

L'histoire de la Terre, longue de 4,5 milliards d'années (Ga), est divisée en 4 éons, chaque éon en ères, et les ères en périodes.

Fossiles et Corrélation Stratigraphique

La présence de fossiles dans les strates est un critère essentiel pour corréler des matériaux provenant de différents endroits. Pour qu'un fossile soit considéré comme un bon fossile stratigraphique (fossile guide), il doit :

• Être trouvé dans des zones géographiques très étendues.
• Avoir eu une existence courte (durée de vie limitée).

Échelle des Temps Géologiques

Datation des Roches : Absolue et Relative

La datation absolue permet de déterminer l'âge d'une roche en millions d'années.

Datation au Carbone 14

Les atomes de Carbone 14 (¹⁴C) sont instables et se désintègrent radioactivement. Lorsqu'un organisme meurt, il cesse d'incorporer de nouveaux atomes de ¹⁴C. Leur nombre diminue alors de moitié tous les 5570 ans (demi-vie de cet élément).

Datation Relative

La datation relative permet de déterminer l'ordre chronologique des événements géologiques ou des matériaux, sans donner d'âge absolu. Il existe plusieurs méthodes :

• Le principe de superposition : dans une séquence de roches sédimentaires non déformées, les couches supérieures sont plus récentes que les couches inférieures.
• Le principe de recoupement : les processus géologiques qui affectent des strates sont postérieurs à la formation de ces strates.
• Le principe d'identité paléontologique : si deux roches sédimentaires contiennent les mêmes fossiles caractéristiques d'une période géologique donnée, alors ces deux roches sont du même âge.

L'Atmosphère Terrestre

Structure et Composition de l'Atmosphère

La composition de l'atmosphère est relativement simple : environ 78% d'azote, 21% d'oxygène, 0,93% d'argon, 0,035% de dioxyde de carbone et des quantités variables de vapeur d'eau et de poussières.

Nous pouvons distinguer deux principales couches de l'atmosphère : l'homosphère et l'hétérosphère.

L'Homosphère

Jusqu'à 80 km d'altitude. Sa composition est relativement constante. Elle se compose de :

• Troposphère : jusqu'à 13 km d'altitude. Elle contient la majeure partie du CO₂ et de la vapeur d'eau, et c'est la zone où se produisent les phénomènes météorologiques.
• Tropopause
• Stratosphère : de 13 à 50-60 km d'altitude. La température y augmente avec l'altitude, notamment grâce à la couche d'ozone qui absorbe les rayons UV.
• Stratopause
• Mésosphère : de 50-60 km à 80 km. Elle est caractérisée par des températures très basses.

La mésopause est la limite entre l'homosphère et l'hétérosphère.

L'Hétérosphère

Aussi appelée ionosphère ou thermosphère. Elle est caractérisée par des températures très élevées, car les molécules de gaz y sont ionisées par le rayonnement solaire de haute énergie.

Circulation Atmosphérique Générale

Le rayonnement solaire réchauffe la surface de la Terre de manière inégale : les régions équatoriales sont plus chaudes que les régions polaires. L'air chaud, moins dense, remonte, tandis que l'air froid polaire, plus dense, descend et se déplace vers l'Équateur pour remplacer l'air chaud. Ainsi, se forme une circulation de surface d'air froid des pôles vers l'Équateur. Cet air, une fois chauffé, remonterait et s'écoulerait vers les pôles où il se refroidirait, recommençant le cycle.

Dans ce modèle, due à la rotation de la Terre et à la différence de vitesse de rotation selon les latitudes, les masses d'air subissent une déviation vers la droite dans l'hémisphère Nord et vers la gauche dans l'hémisphère Sud. Ce phénomène physique est appelé force de Coriolis. Il en résulte une distribution latitudinale des zones de pression :

• Zones subtropicales : zones de haute pression, autour de 30° de latitude, qui génèrent la circulation des alizés.
• Zones équatoriales : zones de basse pression, avec la convergence des alizés.
• Régions subpolaires : zones de basse pression, où se rencontrent les vents d'ouest et les vents polaires.

L'Hydrosphère

L'hydrosphère désigne l'ensemble des eaux présentes sur Terre.

Propriétés Physiques de l'Eau

La propriété physique clé de l'eau est sa densité, environ 1 g/cm³. L'influence de la température sur la densité est très importante : la glace est moins dense que l'eau liquide, et l'eau atteint sa densité maximale à 4 °C.

La température moyenne de notre planète étant d'environ 15 °C, l'eau peut être trouvée dans ses trois phases (solide, liquide et gazeuse).

L'eau est inégalement répartie sur notre planète. La grande majorité se trouve dans les océans (environ 97%). Seule une petite partie est présente sur les continents, principalement sous forme de glaciers et d'eaux souterraines. Une infime fraction est disponible pour l'homme dans les rivières, les lacs, les sols, les êtres vivants et l'atmosphère.

Le Cycle de l'Eau (Hydrologique)

Les mouvements et les changements de phase de l'eau dans l'hydrosphère forment un circuit fermé appelé cycle de l'eau ou cycle hydrologique. L'énergie solaire évapore l'eau des océans et des eaux intérieures. La vapeur d'eau dans l'atmosphère se condense en nuages, qui, en se refroidissant, libèrent de l'eau liquide ou de la neige, selon leur degré de refroidissement. Les rivières et les glaciers se forment et rejoignent l'océan. Une partie de l'eau continentale peut s'infiltrer dans le sol, formant les eaux souterraines, qui finiront également par retourner à l'océan.

L'Eau de Mer

Les océans ont agi comme des puits pour les matériaux apportés par les rivières de tous les continents. Leur salinité provient des ions de sel apportés par les rivières. Actuellement, les dorsales océaniques sont également considérées comme des sources d'éléments solubles dans la mer.

La température de l'océan varie avec la profondeur et la latitude. Les océans sont caractérisés par une couche de surface chaude (12-30 °C) d'une épaisseur de 200 à 500 m, reposant sur une masse d'eau plus froide (-1 à 5 °C). La limite entre l'eau chaude et l'eau froide est appelée la thermocline et se situe entre 200 et 1000 m de profondeur.

Les variations de température de l'eau avec la latitude distinguent les mers intertropicales chaudes des mers polaires plus froides. La salinité maximale se trouve dans les régions tropicales, en raison de la forte évaporation et de la diminution des précipitations qui diluent moins les sels. Les océans sont d'énormes systèmes tampons thermiques et régulent la teneur en oxygène et en CO₂. Ensemble, ils sont de grands modulateurs de la biosphère et du climat.

Circulation des Eaux Océaniques

• Les courants océaniques : de véritables « rivières » au sein de l'océan, principalement dues aux différences de température et de salinité (courants thermohalins), ainsi qu'à la rotation de la Terre et à l'effet des vents (courants de surface).
• Les vagues : considérées comme des ondes oscillatoires progressives à la surface de l'océan, produites par le vent ou des mouvements brusques du fond marin.
• Les marées : mouvements périodiques d'élévation et de chute du niveau de la mer, causés par l'attraction gravitationnelle différentielle de la Lune et du Soleil.