MÉMO VISUEL DE GÉOLOGIE -...
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GEacuteOLOGIELrsquoESSENTIEL EN FICHES
MEacuteMO VISUEL DE
Yves Lagabrielle Directeur de recherche CNRS lrsquoUMR 6118 Geacuteosciences-Rennes
universiteacute de Rennes 1
Reneacute Maury Professeur eacutemeacuterite agrave lrsquouniversiteacute de Bretagne occidentale
Maurice Renard Professeur eacutemeacuterite agrave lrsquouniversiteacute Pierre et Marie Curie (UPMC
Sorbonne Universiteacutes)
Livre 1indb 1 25072014 104652
copy Dunod Paris 2013ISBN 978-2-10-058499-4
Illustrations de couverture Haut droite copy Arnaud Lathuille-Fotoliacom
Haut gauche bas droite et gauche Yves Lagabrielle
Uniformisation des illustrations et mise en page des fiches Bernadette Coleacuteno
Livre 1indb 2 25072014 104652
III
Table des matiegraveres
Avant-propos XIComment utiliser cet ouvrage XII
Partie 1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Fiche 1 Le systegraveme solaire 2Fiche 2 Le Soleil 3Fiche 3 Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres 4Fiche 4 Les meacuteteacuteorites 5Fiche 5 Crategraveres drsquoimpact et impactites 6Fiche 6 La geacuteologie de Mars 7Fiche 7 La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 8Fiche 8 Les magmatismes archeacuteens 9Fiche 9 Les cratons et la croissance continentale 10Fiche 10 Les modegraveles de croissance des continents 11
Partie 2 Hydrosphegravere et atmosphegravere terrestres
Fiche 11 Lrsquohydrosphegravere et les proprieacuteteacutes de lrsquoeau 14Fiche 12 Lrsquoenveloppe gazeuse lrsquoatmosphegravere terrestre 15Fiche 13 Le bilan thermique de la Terre 16Fiche 14 Les deacuteseacutequilibres thermiques reacutegionaux 17Fiche 15 Circulations atmospheacuteriques et zonation climatique terrestre 18Fiche 16 Un dispositif climatique reacutegional la mousson 19Fiche 17 Les saisons et leur dureacutee 20Fiche 18 Proprieacuteteacutes et composition de lrsquoeau de mer origine de la saliniteacute 21Fiche 19 Les circulations oceacuteaniques (1) spirale drsquoEkman et upwellings 22Fiche 20 Les circulations oceacuteaniques (2) courants de surface et tapis roulant 23Fiche 21 El Nintildeo lrsquooscillation australe 24Fiche 22 La reacutepartition des tempeacuteratures dans lrsquooceacutean 25Fiche 23 La reacutepartition des saliniteacutes dans lrsquooceacutean 26Fiche 24 Les gaz dissous dans lrsquoeau de mer et la ZOM 27Fiche 25 Circulation thermo-haline circulation haline 28
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IV
Table des matiegraveresFiche 26 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambiguuml 30Fiche 28 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 29 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 30 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 31 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 32 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 33 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 34 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 35 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 38 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 39 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 40 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43
Partie 3 Seacutedimentologie
Fiche 41 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 42 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 43 Les argiles 48Fiche 44 Alteacuterations et climats 49Fiche 45 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 46 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 47 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 48 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 49 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 50 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 51 Classification granulomegravetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 52 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 53 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 54 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59Fiche 55 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 56 La preacutecipitation des carbonates en mileu marin 61Fiche 57 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62
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V
Table des matiegraveresFiche 58 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Duham 64Fiche 60 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 61 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 62 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 63 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 64 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 65 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 66 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine Peacutelagique 71Fiche 67 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 68 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 69 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 70 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 71 La diagenegravese 76Fiche 72 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 73 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 74 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 75 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 76 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 77 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82
Partie 4 Stratigraphie
Fiche 78 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 79 La radiochronologie 85Fiche 80 La chimiostratigraphie 86Fiche 81 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 82 La cyclostratigraphie 88Fiche 83 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 84 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 85 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 87 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 88 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95Fiche 90 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme 96Fiche 91 Lrsquoorigine de la vie 97
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VI
Table des matiegraveres
Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale
Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135
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VII
Table des matiegraveres
Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere
Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161
Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans
Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172
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VIII
Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177
Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes
Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197
Partie 9 Les magmas mise en place et origine
Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204
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IX
Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240
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X
Table des matiegraveres
Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques
Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247
Index 248Creacutedits photographiques 252
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XI
Avant-propos
Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles
Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip
Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute
Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches
Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie
Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment
Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun
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XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)m
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alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
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CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
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mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
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impact formateur de la Lune
Mod
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
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Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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Le systegraveme solaire
Soleil
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Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
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2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
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Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
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rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
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Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
bres
de
tach
es s
olai
res
lum
inos
iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
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Eacuteleacutements atmophiles
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Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
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Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
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La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
e e
t al
200
6
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
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regraves
Mar
tin e
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
ur (m
)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Arn
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her
2004
drsquoap
regraves
H M
artin
199
9
gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
Livre 1indb 10 25072014 104659
copy Dunod Paris 2013ISBN 978-2-10-058499-4
Illustrations de couverture Haut droite copy Arnaud Lathuille-Fotoliacom
Haut gauche bas droite et gauche Yves Lagabrielle
Uniformisation des illustrations et mise en page des fiches Bernadette Coleacuteno
Livre 1indb 2 25072014 104652
III
Table des matiegraveres
Avant-propos XIComment utiliser cet ouvrage XII
Partie 1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Fiche 1 Le systegraveme solaire 2Fiche 2 Le Soleil 3Fiche 3 Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres 4Fiche 4 Les meacuteteacuteorites 5Fiche 5 Crategraveres drsquoimpact et impactites 6Fiche 6 La geacuteologie de Mars 7Fiche 7 La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 8Fiche 8 Les magmatismes archeacuteens 9Fiche 9 Les cratons et la croissance continentale 10Fiche 10 Les modegraveles de croissance des continents 11
Partie 2 Hydrosphegravere et atmosphegravere terrestres
Fiche 11 Lrsquohydrosphegravere et les proprieacuteteacutes de lrsquoeau 14Fiche 12 Lrsquoenveloppe gazeuse lrsquoatmosphegravere terrestre 15Fiche 13 Le bilan thermique de la Terre 16Fiche 14 Les deacuteseacutequilibres thermiques reacutegionaux 17Fiche 15 Circulations atmospheacuteriques et zonation climatique terrestre 18Fiche 16 Un dispositif climatique reacutegional la mousson 19Fiche 17 Les saisons et leur dureacutee 20Fiche 18 Proprieacuteteacutes et composition de lrsquoeau de mer origine de la saliniteacute 21Fiche 19 Les circulations oceacuteaniques (1) spirale drsquoEkman et upwellings 22Fiche 20 Les circulations oceacuteaniques (2) courants de surface et tapis roulant 23Fiche 21 El Nintildeo lrsquooscillation australe 24Fiche 22 La reacutepartition des tempeacuteratures dans lrsquooceacutean 25Fiche 23 La reacutepartition des saliniteacutes dans lrsquooceacutean 26Fiche 24 Les gaz dissous dans lrsquoeau de mer et la ZOM 27Fiche 25 Circulation thermo-haline circulation haline 28
Livre 1indb 3 25072014 104652
IV
Table des matiegraveresFiche 26 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambiguuml 30Fiche 28 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 29 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 30 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 31 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 32 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 33 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 34 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 35 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 38 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 39 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 40 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43
Partie 3 Seacutedimentologie
Fiche 41 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 42 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 43 Les argiles 48Fiche 44 Alteacuterations et climats 49Fiche 45 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 46 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 47 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 48 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 49 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 50 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 51 Classification granulomegravetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 52 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 53 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 54 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59Fiche 55 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 56 La preacutecipitation des carbonates en mileu marin 61Fiche 57 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62
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V
Table des matiegraveresFiche 58 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Duham 64Fiche 60 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 61 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 62 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 63 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 64 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 65 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 66 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine Peacutelagique 71Fiche 67 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 68 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 69 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 70 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 71 La diagenegravese 76Fiche 72 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 73 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 74 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 75 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 76 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 77 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82
Partie 4 Stratigraphie
Fiche 78 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 79 La radiochronologie 85Fiche 80 La chimiostratigraphie 86Fiche 81 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 82 La cyclostratigraphie 88Fiche 83 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 84 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 85 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 87 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 88 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95Fiche 90 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme 96Fiche 91 Lrsquoorigine de la vie 97
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VI
Table des matiegraveres
Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale
Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135
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VII
Table des matiegraveres
Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere
Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161
Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans
Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172
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VIII
Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177
Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes
Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197
Partie 9 Les magmas mise en place et origine
Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204
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IX
Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240
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X
Table des matiegraveres
Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques
Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247
Index 248Creacutedits photographiques 252
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XI
Avant-propos
Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles
Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip
Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute
Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches
Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie
Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment
Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun
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XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)m
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mos
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+ SiO2
atm
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reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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drsquoap
regraves
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tin e
t al
200
6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
Livre 1indb 12 25072014 104654
Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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Le systegraveme solaire
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Ceinture de Kuiper
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Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
rre
Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
1
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3
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ivers
fiche
Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
bres
de
tach
es s
olai
res
lum
inos
iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
H
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Rb
Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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fiche
Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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ficheLa T
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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ivers
fiche
La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ficheLa T
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
e e
t al
200
6
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Mar
tin e
t al
200
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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ivers
fiche
Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
ur (m
)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
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8Les magmatismes archeacuteens
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10
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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III
Table des matiegraveres
Avant-propos XIComment utiliser cet ouvrage XII
Partie 1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Fiche 1 Le systegraveme solaire 2Fiche 2 Le Soleil 3Fiche 3 Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres 4Fiche 4 Les meacuteteacuteorites 5Fiche 5 Crategraveres drsquoimpact et impactites 6Fiche 6 La geacuteologie de Mars 7Fiche 7 La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 8Fiche 8 Les magmatismes archeacuteens 9Fiche 9 Les cratons et la croissance continentale 10Fiche 10 Les modegraveles de croissance des continents 11
Partie 2 Hydrosphegravere et atmosphegravere terrestres
Fiche 11 Lrsquohydrosphegravere et les proprieacuteteacutes de lrsquoeau 14Fiche 12 Lrsquoenveloppe gazeuse lrsquoatmosphegravere terrestre 15Fiche 13 Le bilan thermique de la Terre 16Fiche 14 Les deacuteseacutequilibres thermiques reacutegionaux 17Fiche 15 Circulations atmospheacuteriques et zonation climatique terrestre 18Fiche 16 Un dispositif climatique reacutegional la mousson 19Fiche 17 Les saisons et leur dureacutee 20Fiche 18 Proprieacuteteacutes et composition de lrsquoeau de mer origine de la saliniteacute 21Fiche 19 Les circulations oceacuteaniques (1) spirale drsquoEkman et upwellings 22Fiche 20 Les circulations oceacuteaniques (2) courants de surface et tapis roulant 23Fiche 21 El Nintildeo lrsquooscillation australe 24Fiche 22 La reacutepartition des tempeacuteratures dans lrsquooceacutean 25Fiche 23 La reacutepartition des saliniteacutes dans lrsquooceacutean 26Fiche 24 Les gaz dissous dans lrsquoeau de mer et la ZOM 27Fiche 25 Circulation thermo-haline circulation haline 28
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IV
Table des matiegraveresFiche 26 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambiguuml 30Fiche 28 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 29 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 30 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 31 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 32 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 33 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 34 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 35 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 38 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 39 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 40 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43
Partie 3 Seacutedimentologie
Fiche 41 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 42 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 43 Les argiles 48Fiche 44 Alteacuterations et climats 49Fiche 45 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 46 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 47 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 48 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 49 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 50 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 51 Classification granulomegravetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 52 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 53 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 54 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59Fiche 55 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 56 La preacutecipitation des carbonates en mileu marin 61Fiche 57 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62
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V
Table des matiegraveresFiche 58 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Duham 64Fiche 60 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 61 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 62 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 63 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 64 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 65 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 66 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine Peacutelagique 71Fiche 67 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 68 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 69 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 70 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 71 La diagenegravese 76Fiche 72 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 73 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 74 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 75 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 76 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 77 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82
Partie 4 Stratigraphie
Fiche 78 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 79 La radiochronologie 85Fiche 80 La chimiostratigraphie 86Fiche 81 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 82 La cyclostratigraphie 88Fiche 83 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 84 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 85 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 87 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 88 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95Fiche 90 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme 96Fiche 91 Lrsquoorigine de la vie 97
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VI
Table des matiegraveres
Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale
Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135
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VII
Table des matiegraveres
Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere
Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161
Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans
Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172
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VIII
Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177
Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes
Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197
Partie 9 Les magmas mise en place et origine
Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204
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IX
Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240
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X
Table des matiegraveres
Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques
Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247
Index 248Creacutedits photographiques 252
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XI
Avant-propos
Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles
Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip
Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute
Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches
Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie
Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment
Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun
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XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)m
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+ SiO2
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egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
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CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
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mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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regraves
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6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
Livre 1indb 12 25072014 104654
Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ficheLa T
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egravete
dan
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ivers
Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
ordr
e de
s pl
anegravet
es
01 1 10 100
10
8
6
4
2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
rre
Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
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fiche
Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
bres
de
tach
es s
olai
res
lum
inos
iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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H
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Li Be
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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
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B C N O F Ne
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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Pa U
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Cs
Fr
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
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Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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ivers
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La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
e e
t al
200
6
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Mar
tin e
t al
200
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
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)
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100
200
300
solide
liquide
MO
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komatite de type M
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10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
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Arn
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2004
drsquoap
regraves
H M
artin
199
9
gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
Livre 1indb 9 25072014 104659
10
ficheLa T
err
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un
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egravete
dan
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ivers
Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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IV
Table des matiegraveresFiche 26 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambiguuml 30Fiche 28 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 29 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 30 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 31 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 32 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 33 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 34 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 35 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 38 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 39 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 40 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43
Partie 3 Seacutedimentologie
Fiche 41 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 42 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 43 Les argiles 48Fiche 44 Alteacuterations et climats 49Fiche 45 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 46 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 47 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 48 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 49 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 50 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 51 Classification granulomegravetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 52 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 53 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 54 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59Fiche 55 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 56 La preacutecipitation des carbonates en mileu marin 61Fiche 57 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62
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V
Table des matiegraveresFiche 58 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Duham 64Fiche 60 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 61 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 62 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 63 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 64 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 65 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 66 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine Peacutelagique 71Fiche 67 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 68 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 69 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 70 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 71 La diagenegravese 76Fiche 72 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 73 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 74 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 75 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 76 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 77 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82
Partie 4 Stratigraphie
Fiche 78 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 79 La radiochronologie 85Fiche 80 La chimiostratigraphie 86Fiche 81 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 82 La cyclostratigraphie 88Fiche 83 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 84 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 85 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 87 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 88 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95Fiche 90 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme 96Fiche 91 Lrsquoorigine de la vie 97
Livre 1indb 5 25072014 104653
VI
Table des matiegraveres
Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale
Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135
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VII
Table des matiegraveres
Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere
Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161
Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans
Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172
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VIII
Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177
Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes
Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197
Partie 9 Les magmas mise en place et origine
Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204
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IX
Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240
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X
Table des matiegraveres
Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques
Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247
Index 248Creacutedits photographiques 252
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XI
Avant-propos
Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles
Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip
Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute
Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches
Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie
Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment
Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun
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XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
8
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)m
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apregrave
s H M
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prot
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mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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regraves
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200
6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
Livre 1indb 12 25072014 104654
Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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2
ficheLa T
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Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
ordr
e de
s pl
anegravet
es
01 1 10 100
10
8
6
4
2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
rre
Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
1
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3
La T
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ivers
fiche
Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
bres
de
tach
es s
olai
res
lum
inos
iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
H
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Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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fiche
Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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ficheLa T
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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ivers
fiche
La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ficheLa T
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
e e
t al
200
6
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Mar
tin e
t al
200
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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ivers
fiche
Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
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8Les magmatismes archeacuteens
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10
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
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-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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V
Table des matiegraveresFiche 58 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Duham 64Fiche 60 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 61 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 62 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 63 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 64 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 65 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 66 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine Peacutelagique 71Fiche 67 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 68 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 69 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 70 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 71 La diagenegravese 76Fiche 72 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 73 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 74 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 75 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 76 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 77 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82
Partie 4 Stratigraphie
Fiche 78 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 79 La radiochronologie 85Fiche 80 La chimiostratigraphie 86Fiche 81 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 82 La cyclostratigraphie 88Fiche 83 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 84 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 85 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 87 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 88 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95Fiche 90 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme 96Fiche 91 Lrsquoorigine de la vie 97
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VI
Table des matiegraveres
Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale
Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135
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VII
Table des matiegraveres
Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere
Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161
Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans
Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172
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VIII
Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177
Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes
Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197
Partie 9 Les magmas mise en place et origine
Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204
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IX
Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240
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X
Table des matiegraveres
Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques
Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247
Index 248Creacutedits photographiques 252
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XI
Avant-propos
Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles
Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip
Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute
Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches
Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie
Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment
Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun
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XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
8
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)m
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mos
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e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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200
6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
Livre 1indb 12 25072014 104654
Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ficheLa T
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Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
ordr
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01 1 10 100
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2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
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Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
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la L
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rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
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fiche
Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
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iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
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YSr
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Na
Rb
Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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fiche
Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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ficheLa T
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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ivers
fiche
La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ficheLa T
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
e e
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200
6
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
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regraves
Mar
tin e
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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fiche
Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
ur (m
)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
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regraves
Arn
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2004
drsquoap
regraves
H M
artin
199
9
gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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VI
Table des matiegraveres
Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale
Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135
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VII
Table des matiegraveres
Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere
Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161
Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans
Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172
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VIII
Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177
Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes
Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197
Partie 9 Les magmas mise en place et origine
Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204
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IX
Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240
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X
Table des matiegraveres
Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques
Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247
Index 248Creacutedits photographiques 252
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XI
Avant-propos
Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles
Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip
Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute
Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches
Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie
Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment
Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun
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XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
8
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)m
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006
prot
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mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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200
6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
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Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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2
ficheLa T
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ivers
Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
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2Terre
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Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
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Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
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ivers
fiche
Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
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middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
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20 00015 000
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104
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102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
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Eacuteleacutements atmophiles
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
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Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
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regraves H
Mar
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Alb
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prot
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mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
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solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
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2004
drsquoap
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199
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gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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VII
Table des matiegraveres
Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere
Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161
Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans
Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172
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VIII
Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177
Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes
Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197
Partie 9 Les magmas mise en place et origine
Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204
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IX
Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240
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X
Table des matiegraveres
Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques
Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247
Index 248Creacutedits photographiques 252
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XI
Avant-propos
Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles
Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip
Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute
Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches
Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie
Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment
Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun
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XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)m
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eacute drsquo
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s H M
artin
F A
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egravede
et a
l 2
006
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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regraves
Mar
tin e
t al
200
6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
Livre 1indb 12 25072014 104654
Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ficheLa T
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ivers
Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
ordr
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anegravet
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01 1 10 100
10
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4
2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
rre
Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
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Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
bres
de
tach
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olai
res
lum
inos
iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
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Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
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Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
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NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
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Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
4
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6
ficheLa T
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egravete
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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fiche
La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ficheLa T
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
e e
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200
6
prot
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mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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fiche
Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
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3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
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100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
ur (m
)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
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komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
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gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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VIII
Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177
Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes
Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197
Partie 9 Les magmas mise en place et origine
Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204
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IX
Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240
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X
Table des matiegraveres
Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques
Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247
Index 248Creacutedits photographiques 252
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XI
Avant-propos
Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles
Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip
Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute
Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches
Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie
Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment
Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun
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XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)m
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alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
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CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
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phegravere H 2O + CO2
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Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Mar
tin e
t al
200
6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
Livre 1indb 12 25072014 104654
Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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2
ficheLa T
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egravete
dan
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ivers
Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
ordr
e de
s pl
anegravet
es
01 1 10 100
10
8
6
4
2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
rre
Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
1
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fiche
Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
bres
de
tach
es s
olai
res
lum
inos
iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
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B C N O F Ne
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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H
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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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Fr
H
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Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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ivers
fiche
La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
e e
t al
200
6
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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fiche
Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
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10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
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200
300
solide
liquide
MO
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komatite de type M
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10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
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regraves
Arn
dt e
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2004
drsquoap
regraves
H M
artin
199
9
gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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10
ficheLa T
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un
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egravete
dan
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rsquoUn
ivers
Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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IX
Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240
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X
Table des matiegraveres
Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques
Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247
Index 248Creacutedits photographiques 252
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XI
Avant-propos
Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles
Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip
Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute
Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches
Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie
Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment
Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun
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XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
8
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)m
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l 2
006
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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regraves
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200
6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
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Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ficheLa T
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Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
ordr
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anegravet
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01 1 10 100
10
8
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4
2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
rre
Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
1
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ivers
fiche
Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
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olai
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middotm-2
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rayonnement solaire
tachessolaires
nom
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20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
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105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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Fr
Eacuteleacutements atmophiles
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Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
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regraves H
Mar
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Alb
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prot
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mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
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solide
liquide
MO
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komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
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gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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X
Table des matiegraveres
Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques
Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247
Index 248Creacutedits photographiques 252
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XI
Avant-propos
Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles
Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip
Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute
Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches
Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie
Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment
Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun
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XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
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oceacutean habitable
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apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
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uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Mar
tin e
t al
200
6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
Livre 1indb 12 25072014 104654
Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ficheLa T
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dan
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ivers
Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
ordr
e de
s pl
anegravet
es
01 1 10 100
10
8
6
4
2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
rre
Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
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fiche
Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
bres
de
tach
es s
olai
res
lum
inos
iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
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B C N O F Ne
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
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B C N O F Ne
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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Fr
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Li Be
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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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ivers
fiche
La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
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prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
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reacutesid
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alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
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uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
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Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
ur (m
)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
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regraves
Arn
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2004
drsquoap
regraves
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artin
199
9
gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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10
ficheLa T
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ivers
Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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XI
Avant-propos
Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles
Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip
Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute
Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches
Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie
Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment
Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun
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XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)m
odifi
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l 2
006
prot
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mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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regraves
Mar
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200
6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
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Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ficheLa T
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Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
ordr
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anegravet
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01 1 10 100
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2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
rre
Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
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fiche
Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
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middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
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de
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lum
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20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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ivers
Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
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Zr
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Fr
Eacuteleacutements atmophiles
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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YSr
Ba
Ra
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Rb
Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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ivers
fiche
Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
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La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
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200
6
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
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regraves
Mar
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
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pres
sion
(GPa
)
prof
onde
ur (m
)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
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artin
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gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
Livre 1indb 10 25072014 104659
XII
Comment utiliser cet ouvrage
Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
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alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
Flux de chaleur
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Flux de chaleur
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CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
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phegravere H 2O + CO2
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use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre
230 fiches
Les notions essentielles du
cours pour reacuteviser rapidement
Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur
pour illustrer chaque notion importante
Et aussihellip
De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales
Un index complet
Livre 1indb 12 25072014 104654
Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
ordr
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s pl
anegravet
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2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
rre
Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
1
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La T
err
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dan
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rsquoUn
ivers
fiche
Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
bres
de
tach
es s
olai
res
lum
inos
iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
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YSr
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Ra
Na
Rb
Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ficheLa T
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
e e
t al
200
6
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Mar
tin e
t al
200
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
ur (m
)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Arn
dt e
t Les
her
2004
drsquoap
regraves
H M
artin
199
9
gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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Partie
1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers
Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave
des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)
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2
ficheLa T
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egravete
dan
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rsquoUn
ivers
Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
ordr
e de
s pl
anegravet
es
01 1 10 100
10
8
6
4
2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
rre
Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
1
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fiche
Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
bres
de
tach
es s
olai
res
lum
inos
iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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H
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Li Be
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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
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B C N O F Ne
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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Fr
H
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Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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ivers
fiche
La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
e e
t al
200
6
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Mar
tin e
t al
200
6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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ivers
fiche
Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
ur (m
)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Arn
dt e
t Les
her
2004
drsquoap
regraves
H M
artin
199
9
gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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ivers
Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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Le systegraveme solaire
Soleil
Mercure
Veacutenus
TerreMars
Asteacuteroiumldes
Jupiter Saturne
Uranus
Neptune
Ceinture de Kuiper
distance moyenne (en UA)
ordr
e de
s pl
anegravet
es
01 1 10 100
10
8
6
4
2Terre
MercureVenus
MarsAsteacuteroiumldes
Jupiter
UranusSaturne
Ceinture de Kuiper (Pluton)
Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde
tempsen Ga
44
45
46
47Phase I
dernier apport dela nucleacuteosynthegravese
0
5
10
formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)
formation dusystegraveme solaire
form
atio
n de
la Te
rre
Phase IIcondensation
du nuageprotosolaire
form
atio
nde
la L
une
rochesterrestres
les plus anciennes428 Ga
formationdes
asteacuteroiumldes
La formation du systegraveme solaire
La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)
phase 1
phase 2
front decompression
Orbite du nuage
protosolaire
Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)
Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers
Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire
Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure
Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases
UA = distanceTerre-Soleil
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Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
bres
de
tach
es s
olai
res
lum
inos
iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
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H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
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Pa U
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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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fiche
Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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ivers
fiche
La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
e e
t al
200
6
prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Mar
tin e
t al
200
6
La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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9
La T
err
e
un
e p
lan
egravete
dan
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rsquoUn
ivers
fiche
Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
ur (m
)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
ifieacute
drsquoap
regraves
Arn
dt e
t Les
her
2004
drsquoap
regraves
H M
artin
199
9
gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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ficheLa T
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ivers
Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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3
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Le Soleil 2
couronne
neutrinosvent solairephotons
chromosphegravere
photosphegravere
tache solaire
protubeacuterance
1370
1365
13601980 1985 1985 1995
0
100
200
300
rayo
nnem
ent s
olai
re (W
middotm-2
)
rayonnement solaire
tachessolaires
nom
bres
de
tach
es s
olai
res
lum
inos
iteacute
20 00015 000
10 0003 0004 0005 0006 0007 000
8 0009 000
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0 B A F G K M
couleur et type spectral
tempeacuterature superficielle
violet bleu blanc jaune orange rouge
supergeacuteantesrouges
geacuteantesrouges
branchehorizontale
nainesblanches
seacuterie principale
17
6
32
16
1513
1
07
05
03
neacutebuleusesplaneacutetaires
vers nainesnoires
T Tauri10 2 1 Ma
01 Ma
12 Ga13 Ga
volatilisation des planegravetestelluriques
neacutebuleuseprotosolaire
volatisation desplanegravetes externes
10 Ga
Soleilactuel
Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil
On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)
Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique
Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires
Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees
La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma
Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
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YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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fiche
Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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ficheLa T
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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ivers
fiche
La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
e e
t al
200
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prot
o-at
mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
o-at
mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
ifieacute
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regraves
Mar
tin e
t al
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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La T
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ivers
fiche
Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
2
3
4
0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
8
10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
ur (m
)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
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drsquoap
regraves
Arn
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2004
drsquoap
regraves
H M
artin
199
9
gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres
atmosphegravere
accreacutetiondu noyau
accreacutetiondu manteau
accreacutetion delatmosphegravere
noyaumanteau
atmosphegravere
diffeacuterenciation
Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
Eacuteleacutements atmophiles
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
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Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
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Hf
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YSr
Ba
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Cs
Fr
H
K
Li Be
Mg
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Al Si P S Cl Ar
B C N O F Ne
He
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe
Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re
Pa U
Zr
Hf
Th
Lu
Ac
YSr
Ba
Ra
Na
Rb
Cs
Fr
NOYAU
MAN
TEAU INF
MANTEAU SUP
CROUTE
Eacuteleacutements lithophiles
Eacuteleacutements chalcophiles
Eacuteleacutements sideacuterophiles
1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere
2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface
Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere
Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires
La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres
Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes
La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles
3fiche
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Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ficheLa T
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
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alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
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O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
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Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
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impact formateur de la Lune
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
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100
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0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
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150
0
50
100
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G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
4
6
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10
pres
sion
(GPa
)
prof
onde
ur (m
)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
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drsquoap
regraves
Arn
dt e
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2004
drsquoap
regraves
H M
artin
199
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gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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ivers
Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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Les meacuteteacuteorites
Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques
Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)
Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite
Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes
Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas
Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine
Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees
Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique
Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten
Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)
Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine
Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites
meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees
chondrites(804 )
achondrites (89 )
meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )
chondritescarboneacutees
chondritesordinaires
chondritesRumuruti
chondritesagrave enstatite
lithosideacuteritesachondritesprimitives
pallasites meacutesosideacuterites
meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites
aubritesureilites
angritesHED
meacuteteacuteorites lunaires
shergottitesnakhlites
chassignites howarditeseucrites
diogeacutenites
hexaeacutedrites octaeacutedrites
JAB
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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ivers
fiche
La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ficheLa T
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
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prot
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mos
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+ SiO2
atm
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reacutesid
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alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
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atm
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CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
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Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
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impact formateur de la Lune
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
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Tempeacuterature (degC)
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3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
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Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
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Crategraveres drsquoimpact et impactites
Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang
Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)
Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)
Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena
Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil
(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )
Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil
Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart
(partie fondue rougeacirctre)
Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)
Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus
Rochechouart
MZA
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ivers
fiche
La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ficheLa T
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
drsquoap
regraves H
Mar
tin F
Alb
aregraved
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6
prot
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mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
atm
osph
egravere
reacutesid
uelle
CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
-2prot
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mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
use
Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
pres
sion
(GPa
)
Solid
us agrave
sec
Tempeacuterature (degC)
0
0
Km Km Km
50
100
150
1
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0 200
Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
400 600 800 1 000 1 200 1 400
H
P
0
50
100
150
0
50
100
150
G
Solid
us h
ydra
teacute
lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
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(GPa
)
prof
onde
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)
0
100
200
300
solide
liquide
MO
RB
komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
cpx
ol20 30
gt
30
komatite de type Barberton
mod
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regraves
Arn
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2004
drsquoap
regraves
H M
artin
199
9
gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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ficheLa T
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ivers
Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
80
70
60
40
20
0
-20
-40
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140
Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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La geacuteologie de Mars
Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes
Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre
Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)
Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent
LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles
Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity
Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover
Le volcan bouclier Mons Olympus
point culminant de Mars (21 229 m)
La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)
Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens
Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes
Curiosity
A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH
(volc) N
modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
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croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
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CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
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phegravere H 2O + CO2
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Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
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Tempeacuterature (degC)
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3 - 25 Ga
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Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
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Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
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Traces (ppm) La 032 065 698 32
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gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
8Les magmatismes archeacuteens
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ficheLa T
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dan
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ivers
Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
appauvri
670 km 670 km
1 700 km
modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003
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Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001
manteauenrichi
Les cratons et la croissance continentale9
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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)
sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires
Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites
Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme
Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct
Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)
Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus
Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm
Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)
Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen
46 44 42 40 38
oceacutean habitable
proto-oceacutean
apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes
apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites
Bombardement meacuteteacuteorique intense final
zircons croucircte eacutevolueacutee
croucircte primordiale
formation de la Lune
formation du noyau
accreacutetion de la Terre
acircges (Ga)
mod
ifieacute
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Mar
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prot
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mos
phegraver
e H 2O + CO2
+ SiO2
atm
osph
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reacutesid
uelle
alteacuteration de la croucircte basalti que
croucircte eacutevolueacutee
subduction
oceacutean habitable
STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma
STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma
nductioono
Flux de chaleur
-2
Flux de chaleur
-2
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CO 2 - H 2
O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau
formation des proto-oceacuteans
Flux de chaleur
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mos
phegravere H 2O + CO2
Gre
enho
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Greenhouse Greenhouse
croucircte basaltique peu eacutepaisse
deacutegazage
tempeacuterature de surface 2
300degC
impact formateur de la Lune
Mod
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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7
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fiche
Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
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(GPa
)
Solid
us agrave
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Tempeacuterature (degC)
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Km Km Km
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Sol Sol Sol
CO CO COCC CC
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G
Solid
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lt 25 Ga
3 - 25 Ga
gt 3 Ga
Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
TiO2 034 024 145 034
Al2O 3 670 404 1303 1556
Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488
K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
0
2
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solide
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komatite de type M
unro
10 MgO
cpx
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ol20 30
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komatite de type Barberton
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gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
arriegravere-arc
pointchaud seacutediments
ride
sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
panache
(01)(25)
[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
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Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)
Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque
La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton
Analyses moyennes de roches archeacuteennes
Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo
(4 x 3 mm LPNA)
Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde
de type TTG
Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques
Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec
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Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G
SiO 2 450 471 501 6979
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Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005
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K 2O 009 009 086 176
P2O 5 000 005 014 013
Traces (ppm) La 032 065 698 32
Nb 06 05 61 10
Sr 21 23 137 454
Y 7 4 29 75
Yb 066 040 23 055
tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
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pointchaud seacutediments
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sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
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[25][07]
(02) (02)
modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
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Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
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Les cratons et la croissance continentale9
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Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents
Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale
Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu
Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)
Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)
Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens
Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place
marge activeen retrait
chaicircnede collision
marge passive
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pointchaud seacutediments
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sous-placage mafique
magmasanatectiques
racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee
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(01)(25)
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modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010
ARCHEacuteEN
ACTUEL
manteau primitif
manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur
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Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur
Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur
Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures
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