Altération des roches, érosion et structure interne de la Terre

# Fiche de cours : Altération des roches, érosion et structure interne de la Terre **Niveau : Première C & TI — SVTEEHB (Programme MINESEC, approche par compétences)** ## Introduction La surface de la Terre est en perpétuelle évolution. Les paysages que nous observons aujourd'hui (montagnes, vallées, plaines, plages) résultent de processus dynamiques qui façonnent la lithosphère : l'altération et l'érosion des roches, le transport des débris, puis leur dépôt et leur transformation en roches sédimentaires. Parallèlement, l'intérieur du globe, bien qu'inaccessible directement, peut être exploré grâce aux ondes sismiques générées par les tremblements de terre. Ces ondes révèlent une structure interne en enveloppes concentriques de compositions et de propriétés physiques différentes. Ce chapitre vise à comprendre ces deux grands thèmes : les processus de surface qui modèlent le relief et la structure profonde de notre planète. ## I. Altération et érosion des roches ### 1. Définition et distinction > **À retenir :** L'**altération** est l'ensemble des modifications physiques et chimiques que subissent les roches à la surface de la Terre ou à proximité, sous l'action des agents atmosphériques (eau, air, variations de température, êtres vivants), sans déplacement significatif des matériaux. L'**érosion** est l'ensemble des processus qui arrachent, usent et déplacent les produits d'altération (et les roches elles-mêmes) sous l'effet de la gravité, de l'eau, du vent ou de la glace. L'altération prépare le matériau, l'érosion le transporte. L'altération est un phénomène *in situ* (sur place), tandis que l'érosion implique un déplacement. ### 2. Les différents types d'altération #### a. L'altération physique (ou mécanique) Elle fragmente les roches sans modifier leur composition chimique. Les principaux agents sont : - **La thermoclastie** : les variations de température (écarts journaliers importants, notamment en milieu désertique ou montagnard) provoquent la dilatation et la contraction des minéraux. Les roches hétérogènes (comme le granite) se fissurent car leurs minéraux (quartz, feldspaths, micas) ne se dilatent pas de la même manière. - **La cryoclastie (ou gélifraction)** : l'eau qui pénètre dans les fissures gèle (augmentation de volume d'environ 9 %). Les pressions exercées lors du gel élargissent les fissures. Les cycles gel-dégel répétés finissent par fragmenter la roche. Ce phénomène est actif en haute montagne et dans les régions froides. - **L'haloclastie** : la cristallisation de sels dans les pores et fissures des roches exerce des pressions qui désagrègent la roche. Ce processus est fréquent dans les régions arides et sur les littoraux. - **L'action des êtres vivants** : les racines des plantes s'insinuent dans les fissures et les élargissent (effet de coin). Les animaux fouisseurs (vers de terre, termites) remuent le sol et exposent les roches à l'altération. #### b. L'altération chimique Elle modifie la composition minéralogique des roches par des réactions chimiques. L'eau est le principal agent, souvent enrichie en dioxyde de carbone (CO₂) dissous, formant l'acide carbonique (H₂CO₃). - **L'hydrolyse** : réaction entre les minéraux et l'eau. C'est le processus majeur d'altération des silicates. Exemple : l'hydrolyse des feldspaths (orthose) du granite produit de l'argile (kaolinite), de la silice (SiO₂) et des ions en solution (K⁺, Na⁺, Ca²⁺). - Équation simplifiée : 2 KAlSi₃O₈ + 2 H⁺ + H₂O → Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 4 SiO₂ + 2 K⁺ - (orthose + acide carbonique → kaolinite + silice + ions potassium) - **La dissolution** : certains minéraux se dissolvent complètement dans l'eau chargée en CO₂. C'est le cas du calcaire (CaCO₃) qui se dissout en ions calcium (Ca²⁺) et bicarbonate (HCO₃⁻). Ce processus est à l'origine des paysages karstiques (grottes, gouffres, lapiaz). - **L'oxydation** : les minéraux contenant du fer (comme l'olivine, les pyroxènes, la biotite) réagissent avec l'oxygène de l'air ou de l'eau. Le fer ferreux (Fe²⁺) est oxydé en fer ferrique (Fe³⁺), formant des oxydes de fer (hématite, goethite) de couleur rougeâtre ou jaunâtre. C'est la rouille des roches. - **L'hydratation** : fixation de molécules d'eau dans le réseau cristallin de certains minéraux (ex : gypse, anhydrite), provoquant une augmentation de volume et une fragilisation. #### c. L'altération biologique Elle résulte de l'action des organismes vivants, qui peut être à la fois physique (racines) et chimique (acides organiques sécrétés par les racines, les lichens, les bactéries). Les lichens, par exemple, sécrètent des acides qui dissolvent les minéraux de la roche sur laquelle ils se fixent. ### 3. Les facteurs influençant l'altération - **Le climat** : la température et l'humidité sont les facteurs déterminants. En climat chaud et humide (zone intertropicale), l'altération chimique est intense et profonde. En climat froid ou aride, l'altération physique domine. - **La nature de la roche** : la composition minéralogique, la texture (taille des grains), la porosité et la fracturation conditionnent la sensibilité à l'altération. Le calcaire est très sensible à la dissolution, le granite à l'hydrolyse, le quartz est très résistant. - **Le relief** : les fortes pentes favorisent l'évacuation des produits d'altération, exposant ainsi la roche fraîche à l'altération. - **La durée** : l'altération est un processus lent qui s'accumule dans le temps. - **L'action de l'homme** : les activités humaines (déforestation, urbanisation, agriculture intensive, pollution acide) accélèrent considérablement les processus d'altération. ### 4. Les produits de l'altération L'altération produit : - Des **éléments en solution** (ions Ca²⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, SiO₂, HCO₃⁻) qui sont lessivés par les eaux de ruissellement. - Des **résidus insolubles** : les argiles (minéraux néoformés), les oxydes et hydroxydes de fer et d'aluminium (latérites, bauxite), les grains de quartz résiduels (sables). - Des **débris rocheux** plus ou moins grossiers (cailloux, blocs) issus de la fragmentation physique. ### 5. L'érosion : agents et processus > **À retenir :** L'**érosion** est le processus d'arrachement et de transport des matériaux (régolithe, sols, roches) par les agents dynamiques externes : l'eau courante (fluviale), les glaciers, le vent, les vagues et la gravité. - **Érosion fluviale** : les rivières et fleuves arrachent et transportent les sédiments par trois mécanismes : l'abrasion (usure du lit par les particules charriées), la corrosion (dissolution chimique), et l'action hydraulique (force de l'eau). La capacité de transport dépend de la vitesse du courant et du débit. - **Érosion glaciaire** : les glaciers, par leur poids et leur mouvement, arrachent les roches du substratum (arrachement) et les usent (abrasion). Ils façonnent des vallées en auge, des cirques, des moraines. - **Érosion éolienne** : le vent transporte les particules fines (sables, poussières) et les projette contre les roches, provoquant leur usure (corrasion). Ce processus est actif dans les déserts et les zones côtières. - **Érosion marine** : les vagues et les courants marins attaquent les côtes par choc hydraulique, abrasion et dissolution. Ils créent des falaises, des plates-formes d'abrasion, des grottes marines. - **Érosion gravitaire** : sous l'effet de la pesanteur, les matériaux instables descendent les pentes : chutes de blocs, éboulements, glissements de terrain, coulées de boue, solifluxion. ## II. Transport des produits d'altération et d'érosion ### 1. Les modes de transport Les produits de l'altération et de l'érosion sont transportés par différents agents selon leur taille et la dynamique du milieu : - **En solution** : les ions dissous (Ca²⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, SiO₂, HCO₃⁻) sont transportés par les eaux de ruissellement, les rivières, les nappes phréatiques. Ce transport est invisible mais représente une part importante de la charge totale des fleuves (la charge dissoute). - **En suspension** : les particules fines (argiles, silts, sables fins) sont maintenues en suspension dans l'eau ou dans l'air par la turbulence. La turbidité des rivières en crue est due à cette charge en suspension. - **Par charriage (ou saltation)** : les particules plus grossières (sables, graviers, galets) sont transportées sur le fond du lit par roulement, glissement ou par bonds successifs (saltation). Ce processus nécessite une vitesse de courant suffisante. - **Par traction** : les blocs et gros galets sont déplacés par roulement ou glissement sur le fond, souvent lors des crues. - **Par reptation** : sur les pentes, les particules du sol descendent lentement sous l'effet de la gravité et des cycles de gel-dégel ou d'humectation-dessiccation. ### 2. Les agents de transport - **L'eau courante (rivières, fleuves)** : c'est l'agent de transport le plus important. La capacité de transport (charge maximale) et la compétence (taille maximale des particules transportées) dépendent de la vitesse du courant. La loi de Hjulström décrit la relation entre la vitesse du courant et le transport/dépôt des particules. ```onbuch-plot {"title":"Diagramme de Hjulström : vitesse du courant vs transport/dépôt des particules","type":"line","series":[{"label":"Vitesse de transport (cm/s)","points":[[0.001,0.01],[0.01,0.05],[0.1,0.2],[0.2,0.5],[0.5,1],[1,2],[2,4],[5,10],[10,20],[20,40],[50,80],[100,150],[200,300],[500,600],[1000,1000]]},{"label":"Vitesse de dépôt (cm/s)","points":[[0.001,0.001],[0.01,0.005],[0.1,0.02],[0.2,0.05],[0.5,0.1],[1,0.2],[2,0.5],[5,1],[10,2],[20,5],[50,10],[100,20],[200,50],[500,100],[1000,200]]}]} ``` - **Les glaciers** : ils transportent tous les débris rocheux, des argiles aux blocs énormes, incorporés dans la glace ou poussés en avant. Les matériaux transportés par les glaciers sont non triés (moraines). - **Le vent** : il transporte les particules fines (poussières, sables) sur de grandes distances. Les particules transportées par le vent sont bien triées et arrondies. - **La gravité** : elle provoque le déplacement des matériaux sur les pentes, des chutes de blocs aux coulées de boue. ### 3. Le tri des sédiments Au cours du transport, les sédiments subissent un **tri** : les particules sont classées selon leur taille, leur densité et leur forme. Les sédiments transportés par l'eau et le vent sont généralement bien triés (tailles homogènes), tandis que ceux transportés par les glaciers sont mal triés (mélange de toutes tailles). Le transport provoque également l'**usure** des particules : les angles s'émoussent, les grains s'arrondissent et se réduisent en taille (abrasion). ## III. Sédimentation et diagenèse ### 1. La sédimentation > **À retenir :** La **sédimentation** est le processus par lequel les particules transportées se déposent lorsque l'énergie de l'agent de transport diminue (baisse de vitesse du courant, fonte d'un glacier, arrêt du vent). Le dépôt des sédiments se fait en milieu continental (lacs, rivières, déserts) ou en milieu marin (plateaux continentaux, plaines abyssales). - **Le dépôt** : les particules se déposent selon leur taille et leur densité (les plus grosses et les plus denses se déposent en premier). On observe une **granoclassement** (gradation) : les sédiments grossiers en bas, les fins en haut. - **Les milieux de sédimentation** : - **Milieux continentaux** : rivières (alluvions), lacs (sédiments lacustres), déserts (dunes de sable), glaciers (moraines), grottes (spéléothèmes). - **Milieux de transition** : deltas, estuaires, lagunes, plages. - **Milieux marins** : plateforme continentale (sables, vases), talus continental, plaine abyssale (boues calcaires, boues siliceuses, argiles rouges). - **La fossilisation** : les restes d'organismes (coquilles, squelettes, bois) peuvent être enfouis dans les sédiments et se fossiliser. Les fossiles sont des marqueurs précieux pour dater les roches et reconstituer les paléoenvironnements. ### 2. La diagenèse > **À retenir :** La **diagenèse** est l'ensemble des processus physiques, chimiques et biologiques qui transforment un sédiment meuble en roche sédimentaire consolidée (lithification). Elle se déroule à basse température et basse pression, en surface ou à faible profondeur. Les principaux processus de la diagenèse sont : - **La compaction** : sous l'effet du poids des sédiments accumulés, les grains se rapprochent, l'eau interstitielle est expulsée, la porosité diminue. Les sédiments deviennent plus denses et plus cohérents. - **La déshydratation** : l'eau contenue dans les sédiments est progressivement expulsée. - **La cimentation** : des minéraux précipitent dans les pores entre les grains et les soudent entre eux. Les ciments les plus courants sont la calcite (CaCO₃), la silice (SiO₂) et les oxydes de fer. La cimentation est le processus clé de la lithification. - **La dissolution et la recristallisation** : certains minéraux instables se dissolvent et recristallisent sous des formes plus stables (ex : l'aragonite se transforme en calcite). - **L'authigenèse** : formation de nouveaux minéraux dans le sédiment (ex : glauconite, pyrite). ### 3. Les étapes de la formation d'une roche sédimentaire 1. **Altération** d'une roche préexistante (source). 2. **Érosion** et **transport** des produits. 3. **Dépôt** (sédimentation) dans un bassin. 4. **Enfouissement** progressif sous de nouvelles couches de sédiments. 5. **Diagenèse** (compaction + cimentation) → lithification en roche sédimentaire. ## IV. Les roches sédimentaires et leur importance géologique ### 1. Classification des roches sédimentaires > **À retenir :** Les **roches sédimentaires** sont des roches formées en surface par accumulation et diagenèse de sédiments. On distingue trois grandes familles : les roches détritiques, les roches chimiques et les roches biochimiques (ou biologiques). #### a. Les roches détritiques (ou clastiques) Elles sont formées par l'accumulation de débris issus de l'altération et de l'érosion de roches préexistantes. Elles sont classées selon la taille des grains : | Type de roche | Taille des grains | Exemples | |---|---|---| | Rudites (poudingues, conglomérats, brèches) | > 2 mm | Poudingue (galets arrondis), brèche (éléments anguleux) | | Arénites (grès) | 0,063 mm à 2 mm | Grès quartzitique, grès feldspathique | | Lutites (argilites, pélites, silts) | < 0,063 mm | Argilite, schiste argileux, siltite | #### b. Les roches chimiques Elles résultent de la précipitation de minéraux à partir de solutions aqueuses sursaturées. - **Les calcaires** : précipitation de calcite (CaCO₃) dans les mers chaudes et peu profondes. Exemples : calcaire oolithique (oolithes), calcaire crayeux (craie), travertin (précipitation en milieu continental). - **Les évaporites** : précipitation de sels lors de l'évaporation intense de l'eau dans des bassins fermés (lagunes, sebkhas). Exemples : gypse (CaSO₄·2H₂O), halite (sel gemme, NaCl), sylvite (KCl). - **Les roches siliceuses** : précipitation de silice (SiO₂). Exemple : silex, chaille. #### c. Les roches biochimiques (ou biologiques) Elles sont formées par l'accumulation de restes d'organismes vivants (coquilles, squelettes, tests). - **Les calcaires bioclastiques** : accumulations de débris de coquilles (calcaires à coquilles, lumachelles). - **Les calcaires récifaux** : construits par les coraux et les algues calcaires (récifs coralliens). - **La craie** : accumulation de coccolithes (algues unicellulaires calcaires). - **Les roches siliceuses organiques** : diatomites (accumulation de frustules de diatomées), radiolarites (accumulation de radiolaires). - **Les roches carbonées** : charbon (accumulation de débris végétaux), pétrole et gaz naturel (accumulation de matière organique marine transformée). - **Les roches phosphatées** : accumulations de débris osseux et de coprolithes (phosphates naturels). ### 2. Importance géologique des roches sédimentaires > **À retenir :** Les roches sédimentaires sont des **archives géologiques** : elles enregistrent les conditions de leur formation (paléoenvironnements), les variations climatiques passées, les mouvements tectoniques et l'histoire de la vie (fossiles). Elles sont également des **ressources économiques majeures**. - **Archives des temps géologiques** : - Les **fossiles** contenus dans les roches sédimentaires permettent de dater les couches (biostratigraphie) et de reconstituer les environnements anciens (paléoécologie). - Les **structures sédimentaires** (stratifications, rides de courant, fentes de dessiccation, empreintes de gouttes de pluie) indiquent les conditions de dépôt (direction des courants, profondeur, milieu). - Les **faciès** (ensemble des caractères d'une roche) permettent de reconstituer les paléogéographies (répartition des terres et des mers au cours des temps géologiques). - **Ressources économiques** : - **Roches réservoirs** : les grès et les calcaires poreux et perméables constituent les réservoirs de pétrole, de gaz naturel et d'eau souterraine (aquifères). - **Roches mères** : les argilites riches en matière organique sont à l'origine des hydrocarbures. - **Matériaux de construction** : calcaires (pierre de taille, ciment), grès, argiles (briques, tuiles), graviers et sables (béton). - **Matières premières industrielles** : calcaire (chaux, ciment, verrerie, sidérurgie), gypse (plâtre), sel (halite), phosphates (engrais), charbon (énergie), bauxite (aluminium, roche résiduelle d'altération). - **Eau souterraine** : les nappes phréatiques sont contenues dans les roches sédimentaires poreuses et perméables (aquifères). ## V. Moyens de lutte contre l'altération et l'érosion ### 1. Les causes anthropiques de l'accélération de l'érosion Les activités humaines accélèrent considérablement l'altération et l'érosion : - **La déforestation** : la suppression du couvert végétal expose le sol à l'érosion pluviale et éolienne. Les racines ne retiennent plus la terre. - **L'agriculture intensive** : le labour des sols en pente, la monoculture, le surpâturage, les brûlis dégradent la structure du sol et favorisent le ruissellement. - **L'urbanisation** : l'imperméabilisation des sols (béton, bitume) augmente le ruissellement et l'érosion des zones non protégées. - **L'exploitation minière et les carrières** : elles déstabilisent les versants et produisent des déblais facilement érodables. - **Les feux de brousse** : ils détruisent la végétation et la couche organique du sol. - **La pollution** : les pluies acides (SO₂, NOₓ) accélèrent l'altération chimique des roches et des monuments. ### 2. Les méthodes de lutte contre l'érosion > **À retenir :** La lutte contre l'érosion repose sur trois principes complémentaires : **protéger le sol** (couverture végétale), **ralentir le ruissellement** (aménagements physiques) et **gérer durablement les terres** (pratiques agricoles adaptées). #### a. Les méthodes biologiques (végétales) - **Le reboisement et l'afforestation** : planter des arbres et des arbustes sur les versants pour stabiliser les sols par les racines et réduire le ruissellement. - **Le maintien d'un couvert végétal permanent** : éviter les sols nus, pratiquer l'agroforesterie (association arbres-cultures). - **Les cultures en courbes de niveau** : les lignes de culture suivent les courbes de niveau du terrain, créant des barrières naturelles au ruissellement. - **Les bandes enherbées** : laisser des bandes d'herbe entre les parcelles cultivées pour piéger les sédiments. - **Le paillage (mulch)** : couvrir le sol avec des résidus végétaux pour le protéger de l'impact des gouttes de pluie. - **La rotation des cultures** : alterner les cultures pour préserver la structure du sol. #### b. Les méthodes physiques (mécaniques) - **Les terrasses (ou banquettes)** : aménagement de gradins sur les pentes pour réduire la longueur de la pente et ralentir le ruissellement. Cette technique est utilisée dans les régions montagneuses (ex : rizières en terrasses en Asie, monts Mandara au Cameroun). - **Les cordons de pierres** : alignements de pierres le long des courbes de niveau pour freiner le ruissellement et favoriser l'infiltration. - **Les digues et les gabions** : ouvrages en pierres ou en grillages remplis de pierres pour retenir les sédiments dans les ravines. - **Les fossés de drainage** : canaux qui collectent et évacuent les eaux de ruissellement de manière contrôlée. - **Les murets de soutènement** : murs en pierres sèches ou en béton pour stabiliser les talus et les versants. - **Les brise-vent** : haies d'arbres ou de buissons pour réduire la vitesse du vent et l'érosion éolienne. #### c. Les méthodes agronomiques (gestion durable des sols) - **Le labour selon les courbes de niveau** : labourer perpendiculairement à la pente. - **Le non-labour (semis direct)** : limiter le travail du sol pour préserver sa structure et sa couverture. - **L'apport de matière organique** : le compost et le fumier améliorent la structure du sol et sa capacité de rétention d'eau. - **La gestion raisonnée du pâturage** : éviter le surpâturage, pratiquer le pâturage tournant. - **L'utilisation de plantes de couverture** : cultiver des légumineuses ou des graminées pour couvrir le sol entre les cultures principales. ### 3. Exemples camerounais - **Région de l'Ouest (Bamiléké)** : les haies vives (Sesbania, Leucaena) et les banquettes en terre ou en pierres sont utilisées pour lutter contre l'érosion sur les pentes cultivées. - **Région du Nord (Monts Mandara)** : les terrasses en pierres sèches sont une tradition ancestrale de lutte contre l'érosion. - **Région de l'Extrême-Nord** : les cordons pierreux et les demi-lunes sont utilisés pour la récupération des eaux de ruissellement et la lutte contre la désertification. - **Littoral et Sud** : la protection des mangroves et des forêts côtières contre la déforestation contribue à limiter l'érosion côtière. ## VI. La structure interne de la Terre : origine et types d'ondes sismiques ### 1. Les ondes sismiques : origine > **À retenir :** Les **ondes sismiques** sont des vibrations qui se propagent à travers la Terre. Elles sont générées par les **séismes** (tremblements de terre), qui résultent de la rupture brutale des roches en profondeur le long des **failles**, lorsque les contraintes accumulées dépassent la résistance des roches. L'énergie libérée se propage sous forme d'ondes élastiques dans toutes les directions. Les séismes se produisent principalement aux limites des plaques lithosphériques (zones de subduction, dorsales, failles transformantes), mais aussi à l'intérieur des plaques (séismes intraplaques). Le point de rupture en profondeur est appelé le **foyer** (ou hypocentre). Le point en surface situé à la verticale du foyer est l'**épicentre**. ### 2. Les types d'ondes sismiques Il existe deux grandes catégories d'ondes sismiques : #### a. Les ondes de volume Elles se propagent à l'intérieur du globe terrestre. - **Les ondes P (Primaires ou de compression)** : - Ce sont des ondes longitudinales : la vibration des particules se fait dans la direction de propagation de l'onde (compressions et dilatations successives). - Elles se propagent dans les solides, les liquides et les gaz. - Leur vitesse est la plus élevée : environ 6 km/s à la surface, jusqu'à 13 km/s dans les zones profondes. - Elles arrivent en premier sur les sismogrammes (d'où leur nom "Primaires"). - **Les ondes S (Secondaires ou de cisaillement)** : - Ce sont des ondes transversales : la vibration des particules se fait perpendiculairement à la direction de propagation. - Elles ne se propagent que dans les solides (pas dans les liquides ni les gaz). - Leur vitesse est plus faible que celle des ondes P : environ 3,5 km/s à la surface, jusqu'à 7 km/s en profondeur. - Elles arrivent après les ondes P (d'où leur nom "Secondaires"). #### b. Les ondes de surface Elles se propagent à la surface de la Terre, le long de l'interface entre la lithosphère et l'atmosphère ou l'hydrosphère. - **Les ondes de Love** : mouvement horizontal de cisaillement perpendiculaire à la direction de propagation. - **Les ondes de Rayleigh** : mouvement elliptique rétrograde des particules (comme les vagues à la surface de l'eau). Les ondes de surface sont plus lentes que les ondes de volume mais provoquent les dégâts les plus importants lors des séismes (amplitudes plus grandes). ### 3. La sismologie : outil d'exploration de l'intérieur de la Terre > **À retenir :** La **sismologie** est l'étude des ondes sismiques. L'analyse des **sismogrammes** (enregistrements des vibrations du sol) enregistrés par des **sismographes** répartis sur toute la surface du globe permet de déterminer la structure interne de la Terre. Les variations de vitesse, les réflexions, les réfractions et les absorptions des ondes P et S renseignent sur la nature, l'état physique et la composition des matériaux traversés. ## VII. Comportement des différentes ondes sismiques à l'intérieur du globe ### 1. La propagation des ondes P et S - **Les ondes P** se propagent dans tous les milieux (solides, liquides, gazeux). Leur vitesse augmente avec la densité et la rigidité du milieu traversé. Elles subissent des **réfractions** (changement de direction) et des **réflexions** lorsqu'elles rencontrent des interfaces entre des milieux de propriétés différentes. - **Les ondes S** ne se propagent que dans les solides. Leur absence dans une zone indique la présence d'un milieu liquide. ### 2. Les zones d'ombre sismiques > **À retenir :** Les **zones d'ombre sismiques** sont des régions de la surface terrestre où les ondes sismiques d'un séisme ne sont pas enregistrées. L'existence de ces zones d'ombre a permis de découvrir la structure interne de la Terre. - **Zone d'ombre des ondes P** : pour un séisme donné, les ondes P ne sont pas enregistrées entre 103° et 142° de distance angulaire de l'épicentre. Cette zone d'ombre s'explique par la **réfraction** des ondes P à la limite noyau-manteau (discontinuité de Gutenberg) : les ondes P sont fortement déviées car leur vitesse chute brutalement (de 13,6 km/s à environ 8 km/s) en entrant dans le noyau liquide. - **Zone d'ombre des ondes S** : les ondes S ne sont jamais enregistrées au-delà de 103° de distance angulaire de l'épicentre. Elles sont totalement **absorbées** par le noyau externe liquide, car les ondes S ne se propagent pas dans les liquides. ```onbuch-plot {"title":"Courbe hodochrone des ondes P et S (temps d'arrivée en fonction de la distance épicentrale)","type":"line","series":[{"label":"Ondes P","points":[[0,0],[10,2],[20,4],[30,5.5],[40,7],[50,8.5],[60,10],[70,11.5],[80,13],[90,14.5],[100,16],[103,16.5],[110,18],[120,19.5],[130,21],[140,22.5],[142,23],[150,24],[160,25],[180,27]]},{"label":"Ondes S","points":[[0,0],[10,4],[20,8],[30,11],[40,14],[50,17],[60,20],[70,23],[80,26],[90,29],[100,32],[103,33],[110,36],[120,39],[130,42],[140,45],[142,46],[150,48],[160,51],[180,56]]}]} ``` ### 3. Les discontinuités mises en évidence L'analyse des sismogrammes révèle des changements brusques de vitesse des ondes sismiques à certaines profondeurs. Ces surfaces de discontinuité délimitent les grandes enveloppes de la Terre. - **La discontinuité de Mohorovičić (Moho)** : située à environ 5 à 10 km sous les océans et 30 à 70 km sous les continents. Elle marque la limite entre la croûte et le manteau. La vitesse des ondes P passe brutalement d'environ 6-7 km/s à 8 km/s. - **La discontinuité de Gutenberg** : située à environ 2 900 km de profondeur. Elle marque la limite entre le manteau et le noyau. La vitesse des ondes P chute de 13,6 km/s à environ 8 km/s, et les ondes S sont totalement arrêtées (noyau externe liquide). - **La discontinuité de Lehmann** : située à environ 5 100 km de profondeur. Elle marque la limite entre le noyau externe (liquide) et le noyau interne (solide). La vitesse des ondes P augmente légèrement. ## VIII. Discontinuités et enveloppes internes du globe terrestre ### 1. Les enveloppes internes de la Terre > **À retenir :** La Terre est structurée en **enveloppes concentriques** de compositions et de propriétés physiques différentes. De l'extérieur vers l'intérieur, on distingue : la **croûte** (continentale ou océanique), le **manteau** (supérieur et inférieur), le **noyau externe** (liquide) et le **noyau interne** (solide). ```onbuch-svg <svg viewBox="0 0 400 400" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg"> <!-- Fond --> <rect width="400" height="400" fill="#f0f0f0"/> <!-- Noyau interne --> <circle cx="200" cy="200" r="50" fill="#ff6600" stroke="#333" stroke-width="2"/> <text x="200" y="195" text-anchor="middle" font-size="10" fill="white" font-weight="bold">Noyau interne</text> <text x="200" y="210" text-anchor="middle" font-size="9" fill="white">(graine)</text> <text x="200" y="225" text-anchor="middle" font-size="8" fill="white">solide</text> <!-- Noyau externe --> <circle cx="200" cy="200" r="120" fill="#ff9933" stroke="#333" stroke-width="2"/> <text x="200" y="80" text-anchor="middle" font-size="10" fill="#333" font-weight="bold">Noyau externe</text> <text x="200" y="95" text-anchor="middle" font-size="9" fill="#333">(liquide)</text> <text x="200" y="110" text-anchor="middle" font-size="8" fill="#333">Fe + Ni</text> <!-- Manteau --> <circle cx="200" cy="200" r="250" fill="#cc6600" stroke="#333" stroke-width="2"/> <text x="200" y="320" text-anchor="middle" font-size="10" fill="white" font-weight="bold">Manteau</text> <text x="200" y="335" text-anchor="middle" font-size="9" fill="white">(solide)</text> <text x="200" y="350" text-anchor="middle" font-size="8" fill="white">silicates de Fe et Mg</text> <!-- Croûte --> <circle cx="200" cy="200" r="280" fill="#8B4513" stroke="#333" stroke-width="2"/> <text x="200" y="60" text-anchor="middle" font-size="10" fill="white" font-weight="bold">Croûte</text> <text x="200" y="75" text-anchor="middle" font-size="8" fill="white">(5-70 km)</text> <!-- Légende des discontinuités --> <line x1="50" y1="380" x2="80" y2="380" stroke="#333" stroke-width="2"/> <text x="85" y="383" font-size="9" fill="#333">Discontinuité de Mohorovičić (Moho)</text> <line x1="50" y1="365" x2="80" y2="365" stroke="#333" stroke-width="2" stroke-dasharray="4,2"/> <text x="85" y="368" font-size="9" fill="#333">Discontinuité de Gutenberg (2 900 km)</text> <line x1="50" y1="350" x2="80" y2="350" stroke="#333" stroke-width="2" stroke-dasharray="2,2"/> <text x="85" y="353" font-size="9" fill="#333">Discontinuité de Lehmann (5 100 km)</text> </svg> ``` ### 2. Description détaillée des enveloppes #### a. La croûte terrestre - **Croûte continentale** : - Épaisseur : 30 à 70 km (plus épaisse sous les chaînes de montagnes). - Composition : roches de type **granitique** (sial : silice et aluminium) : granite, gneiss, schistes. - Densité moyenne : 2,7 g/cm³. - Âge : jusqu'à 4 milliards d'années. - **Croûte océanique** : - Épaisseur : 5 à 10 km. - Composition : roches de type **basaltique** (sima : silice et magnésium) : basalte, gabbro, péridotite. - Densité moyenne : 2,9 g/cm³. - Âge : moins de 200 millions d'années (renouvelée en permanence au niveau des dorsales). #### b. Le manteau - **Manteau supérieur** : de la Moho jusqu'à environ 670 km de profondeur. Il contient l'**asthénosphère** (zone de faiblesse où les roches sont partiellement fondues, entre 100 et 200 km de profondeur) sur laquelle se déplacent les plaques lithosphériques. - **Manteau inférieur** : de 670 km à 2 900 km de profondeur. Les roches y sont plus denses. - Composition : roches de type **péridotitique** (silicates de fer et de magnésium : olivine, pyroxènes, grenats). - Densité : 3,3 à 5,5 g/cm³. - État physique : solide (mais capable de fluer très lentement sur de longues périodes, phénomène de convection). #### c. Le noyau - **Noyau externe** : de 2 900 km à 5 100 km de profondeur. - Composition : fer (Fe) et nickel (Ni) principalement, avec des éléments légers (soufre, silicium, oxygène). - État physique : **liquide** (les ondes S ne s'y propagent pas). - C'est le siège des courants de convection qui génèrent le **champ magnétique terrestre** (effet dynamo). - Densité : 9,9 à 12,2 g/cm³. - **Noyau interne (graine)** : de 5 100 km au centre de la Terre (6 371 km). - Composition : fer et nickel (alliage). - État physique : **solide** (malgré la température très élevée, la pression énorme empêche la fusion). - Densité : 12,8 à 13,1 g/cm³. - Température : environ 5 000 à 6 000 °C. ### 3. La lithosphère et l'asthénosphère > **À retenir :** La **lithosphère** est l'enveloppe rigide et cassante de la Terre, comprenant la croûte et la partie supérieure du manteau (jusqu'à environ 100 km). Elle est découpée en **plaques tectoniques** qui se déplacent sur l'**asthénosphère**, zone ductile et partiellement fondue du manteau supérieur. ## IX. Composition chimique des enveloppes et densité de la Terre ### 1. Composition chimique des enveloppes > **À retenir :** Chaque enveloppe terrestre a une composition chimique distincte. La croûte est riche en silice et en aluminium (sial) ou en silice et magnésium (sima), le manteau est composé de silicates de fer et de magnésium, et le noyau est essentiellement constitué de fer et de nickel. #### a. Composition de la croûte Les éléments chimiques les plus abondants dans la croûte terrestre sont : | Élément | Symbole | Abondance (% masse) | |---|---|---| | Oxygène | O | 46,6 % | | Silicium | Si | 27,7 % | | Aluminium | Al | 8,1 % | | Fer | Fe | 5,0 % | | Calcium | Ca | 3,6 % | | Sodium | Na | 2,8 % | | Potassium | K | 2,6 % | | Magnésium | Mg | 2,1 % | Les minéraux les plus courants de la croûte sont les **silicates** (feldspaths, quartz, micas, amphiboles, pyroxènes, olivine) et les **carbonates** (calcite, dolomite). #### b. Composition du manteau Le manteau est composé de **péridotite**, une roche riche en olivine et en pyroxènes. Sa composition chimique approximative : - Oxygène (O) : 44 % - Magnésium (Mg) : 23 % - Silicium (Si) : 21 % - Fer (Fe) : 6 % - Calcium (Ca) : 2,5 % - Aluminium (Al) : 2 % #### c. Composition du noyau Le noyau est essentiellement composé de : - Fer (Fe) : environ 85 % - Nickel (Ni) : environ 5-10 % - Éléments légers (S, Si, O, H) : environ 5-10 % Cette composition est déduite de la densité élevée du noyau et de l'étude des météorites (chondrites) qui représentent la composition primitive de la matière du système solaire. ### 2. Densité de la Terre > **À retenir :** La **densité moyenne de la Terre** est de **5,5 g/cm³**. Cette valeur est bien supérieure à la densité moyenne des roches de la croûte (2,7 à 2,9 g/cm³), ce qui implique que les enveloppes profondes (manteau et surtout noyau) sont beaucoup plus denses. | Enveloppe | Densité moyenne (g/cm³) | |---|---| | Croûte continentale | 2,7 | | Croûte océanique | 2,9 | | Manteau supérieur | 3,3 - 3,5 | | Manteau inférieur | 4,5 - 5,5 | | Noyau externe | 9,9 - 12,2 | | Noyau interne | 12,8 - 13,1 | | **Terre entière** | **5,5** | La densité moyenne de la Terre (5,5) est calculée à partir de la loi de la gravitation universelle (masse de la Terre = 5,97 × 10²⁴ kg, volume = 1,08 × 10²¹ m³). Cette valeur élevée confirme l'existence d'un noyau dense, riche en fer et en nickel. ### 3. La méthode d'étude de la structure interne La structure interne de la Terre ne peut pas être observée directement (le forage le plus profond, le forage de Kola en Russie, n'atteint que 12 km). Les principales méthodes indirectes sont : - **La sismologie** : analyse des ondes sismiques (méthode la plus informative). - **La gravimétrie** : mesure des variations du champ de gravité. - **Le magnétisme** : étude du champ magnétique terrestre. - **La géothermie** : mesure du flux de chaleur interne. - **L'étude des météorites** : considérées comme des témoins de la composition primitive de la Terre. - **L'étude des xénolites** : fragments de roches du manteau remontés à la surface par les volcans. ## Conclusion L'altération et l'érosion des roches sont des processus fondamentaux du cycle géologique qui façonnent les paysages et alimentent la formation des roches sédimentaires. Ces roches, véritables archives de l'histoire de la Terre, sont également des ressources économiques essentielles. La lutte contre l'érosion, devenue une priorité environnementale, nécessite des approches intégrées combinant méthodes biologiques, physiques et agronomiques. Parallèlement, l'étude des ondes sismiques a révélé que la Terre est structurée en enveloppes concentriques — croûte, manteau, noyau externe liquide et noyau interne solide — chacune ayant une composition chimique et des propriétés physiques distinctes. Cette structure interne est dynamique : les mouvements de convection dans le manteau et le noyau externe sont à l'origine de la tectonique des plaques, du volcanisme, des séismes et du champ magnétique terrestre. La compréhension de ces phénomènes est essentielle pour la prévention des risques naturels et la gestion durable des ressources de notre planète.