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STRUCTURE INTERNE DE LA TERRE

Eric LECOIX, Oct 2013

I – Des premières représentations au modèle actuel II – Apport de la sismologie III – Le manteau IV – Le noyau V – Le magnétisme terrestre VI – Planétologie comparée

La vision Aristote (IVème siècle av. J.-C ) s'inscrit dans la théorie des quatre éléments : La Terre est exclusivement formée de l'élément terre ; elle est entourée d'eau, puis d'air et enfin d'une couche de feu. Au delà, c'est le monde des astres et de l'éternité. La partie superficielle du globe contient des cavités internes et des canaux. Le vent (ou souffle interne), sortant des cavités, provoque des tremblements de terre. Lorsqu'il est broyé en petites particules, il prend feu et donne des volcans.

Quelques représentations anciennes de la structure du globe

D’après Athanasius Kircher (1602-1680, la Terre possède un foyer central impétueux, à peine dompté, relié aux volcans de la surface par des conduits de feu avec des réserves intermédiaires, les « pyrophylacies ». Les volcans manifestent l'activité interne du globe, ce sont des soupiraux par lesquels s'échappe le feu intérieur.

Quelques représentations anciennes de la structure du globe

www.kunstkammer.at/kircher.htm

Il est surprenant de constater la persistance de certaines représentations…

Conceptions d'élèves de ……. Les schémas qui suivent ont été obtenues par la consigne : "Représentez la structure de la Terre. Votre schéma doit expliquer l'origine de la lave

émise par les volcans", dans une classe de …………… en début d'année.

Il est surprenant de constater la persistance de certaines représentations…

Conceptions d'élèves de ……. Les schémas qui suivent ont été obtenues par la consigne : "Représentez la structure de la Terre. Votre schéma doit expliquer l'origine de la lave

émise par les volcans", dans une classe de …………… en début d'année.

1ere S

Chadefaud M. Régnier V. 1940. Sciences naturelles. Delagrave, Paris : 231

Cela serait il dû à un décalage entre « la science qui se fait » et «la science qui s’enseigne » ?

Illustration d’un livre de sciences naturelles de 1940

Cela serait il dû à un décalage entre « la science qui se fait » et «la science qui s’enseigne » ?

Et pourtant…

En 1912, Beno Gutenberg repositionne la discontinuité noyau/manteau vers 2900 km de profondeur (valeur adoptée de nos jours) à partir de données sismiques. (il découvre la zone d’ombre en étudiant la propagation des ondes P)

En 1936, Inge Lehmann découvre que le noyau liquide de la Terre contient une partie centrale distincte : la graine. La « zone d'ombre » entre 105 et 142° n'est pas entièrement vide mais on y observe l'arrivée d'ondes P, interprétées comme des ondes diffractées à la frontière du noyau. Lehmann montre que ces ondes reçoivent une explication bien plus satisfaisante si l'on suppose qu'elles ont été réfléchies à la surface d'une partie centrale.

On est tout de même assez loin du modèle proposé dans l’ouvrage de 1940 !!!

Qu’en est il du modèle actuel ?

Sous l’effet des diverses contraintes, un corps rocheux peut lentement accumuler de l'énergie élastique. Sa brutale libération le long d’une faille par rupture, accompagnée d'un brusque mouvement relatif des deux compartiments rocheux qu’elle sépare et initiée en un point appelé foyer, engendre un séisme. De l’énergie est alors libérée sous forme de chaleur et de vibrations qui se propagent dans les roches de proche en proche, encore appelées ondes sismiques. Les fronts d’onde matérialisent les positions successives des matériaux qui entrent en vibration simultanément autour du foyer. Les rais sismiques symbolisent les directions de propagation des ondes et sont en tout point perpendiculaires aux fronts

Qu’est ce qu’un séisme ?

Faille

Différents types d’ondes

Ondes de volume Ondes de surface L

Lorsque, dans un milieu homogène, de l’énergie sismique est brutalement relâchée en un point P près de la surface…,

…une partie de l’énergie est propagée à l’intérieur du milieu

… l’autre partie se disperse à la surface

-Générées par des séismes de faible profondeur -Plus lentes que les ondes de volume

Ondes de Rayleigh R

Ondes de Lowe G

-Obéissent à la loi de Snell (réfléchies et transmises aux interfaces où varient la vitesse sismique et la densité)

Ondes de compression P (P = primaires)

Ondes de cisaillement S (S = secondaires)

Ne se propagent pas dans les liquides

Sciences de la Terre et de l’Univers, A Brahic, M Hoffert, A Schaaf, M Tardy Géologie, objets, méthodes et modèles – J Dercourt, J Paquet, P Thomas, C Langlois

Ondes de volume

Ondes de surface L

http://raymond.rodriguez1.free.fr/

K = module d'incompressibilité en Kbar (variation de densité selon la pression) = le module de cisaillement en Kbar (mesure la rigidité) ρ = masse volumique (en g/cm3) Vitesse exprimée en Km/s

Vitesse de propagation des ondes sismiques

REMARQUE: Quand on s'enfonce dans le sol, la masse volumique des matériaux augmente (en particulier parce que la pression augmente) donc d’après la formule, la vitesse des ondes devrait diminuer. Mais quand la pression augmente, Κ et μ (au numérateur) augmentent plus que ρ. Donc la vitesse des ondes P augmente avec la profondeur.

Les enregistrements des ondes sismiques réalisés dans diverses stations sismiques à la surface du globe, et issus de multiples séismes aux localisations très diversifiées, ont permis la construction d’hodographes qui sont tous très semblables. Ceci permet de formuler l’hypothèse d’une symétrie sphérique pour l’organisation interne du globe.

Les hodographes

Un rai sismique se comporte comme un rayon lumineux Lors d'un changement de milieu de propagation un rai incident (P ou S) subit une réflexion, une réfraction accompagnée d'une variation de vitesse. Cela permet de révéler des discontinuités physiques dans les milieux traversés.

Loi de Snell

Les raies sismiques, tels des rais lumineux, obéissent à la loi de Snell: Sin (r) = (V2/V1) . sin (i) En pénétrant plus en profondeur dans un milieu de même composition, les ondes sismiques évoluent dans un matériau de plus en plus dense, et leur vitesse tendent à augmenter ; les angles d’incidence et de réfraction augmentent donc également : les rais sismiques des ondes de volume qui traversent le globe en profondeur ont, en première approximation, une forme courbe.

V2 > V1

Loi de Snell

Si la masse volumique augmente en profondeur vitesse de propagation augmente angle de réfraction augmente Les rais sismiques des ondes de volume ont une forme courbe

En appliquant la loi de Snell (identique à la loi de Descartes pour les rayons lumineux): Sin (iz)/Vz = constante avec iz = angle d’incidence ou de réfraction Et Vz = vitesse de propagation de l’onde à la profondeur z ...il est alors possible de proposer des profils de vitesse (loi de variation de V en fonction de la profondeur) qui permettent de rendre compte au mieux des hodographes obtenus.

Profils de vitesse

ATTENTION: Les hodographes sont obtenus par des séries de mesures réelles alors que les profils de vitesse sont déjà des modèles !

Mohorovicic (1909) fait le raisonnement suivant. Puisque les ondes Pg et Pn sont de même nature (ondes P de compression-dilatation) elles se propagent donc à la même vitesse. Puisque les ondes Pg et Pn partent en même temps (heure du séisme), qu'elles se propagent à la même vitesse et qu'elles n'arrivent pas en même temps, elles ont forcément traversé des milieux différents et ont donc emprunté des chemins différents.

Les ondes Pg suivent un trajet direct. Les ondes Pn s'enfoncent dans la croûte (le sial à l'époque) et atteignent un milieu différent, le manteau (le sima à l'époque), de densité supérieure. Elles subissent alors une rélexion et une réfraction. Quand la somme de l'angle d'incidence et de l'angle de réflexion est égale à 90°(incidence limite) l'angle de réfraction est alors tel que le rai réfracté est parallèle à la surface. Les ondes réfractées accélèrent et, bien qu'elles aient un trajet plus long, doublent les ondes Pg si la distance de la station à l'épicentre est suffisante (station 6 par exemple). Discontinuité physique = discontinuité de Mohorovicic = Moho.

Mise en évidence d’une discontinuité: le Moho

Pn = onde conique PnP= onde réfléchie Pg = onde directe

Exemple de sismogramme

= retard entre les ondes directes P et les ondes réfléchies PMP

Calcul de la profondeur du Moho

Calcul de la profondeur du Moho

Manteau (Péridotite)

Croûte océanique (Basaltes, gabbros)

Croûte continentale (granitoïdes)

Moho

Lith

osp

hè

re

Discontinuité = correspond à une interprétation structurale de la discontinuité observée

Attention aux confusions !

Anomalies = modification brutale des vitesses des ondes sismiques en fonction de la profondeur

=

Manteau (Péridotite)

Croûte océanique (Basaltes, gabbros)

Croûte continentale (granitoïdes)

Moho

Lith

osp

hè

re

Attention aux confusions !

= Moho sismologique = zone d’augmentation brutale de la vitesse des ondes sismiques

Moho pétrographique, marqueur d’une véritable limite entre Roches de la croûte (granitoïdes pour simplifier) et péridotite du manteau

Une discontinuité à la base du manteau (Beno Gutenberg, 1912) Les ondes P émises par un séisme sont enregistrées normalement jusqu'à la distance épicentrale de 105°.Entre 105 et 142°, les ondes P ne sont plus observées, puis à 142°, elles réapparaissent. C'est le phénomène de zone d'ombre que Gutenberg explique comme le résultat de la réfraction des ondes P à travers une discontinuité marquant une chute brutale de la vitesse des ondes. La discontinuité physique entre manteau et noyau est appelée la discontinuité de Gutenberg et se situe à 2 900 km de profondeur, le manteau représente donc 84% du volume de la Terre. La discontinuité de Lehmann, située vers 5 100 km entre le noyau et la graine, a été découverte en 1936.

Discontinuité Manteau / noyau

Nomenclature pour les réflexions c : réflexion sur l'interface manteau-noyau externe i : réflexion sur l'interface noyau externe- noyau interne p : réflexion des ondes P à la surface du globe, à proximité du séisme s : réflexion des ondes S à la surface du globe, à proximité du séisme

Nomenclature pour les ondes P : ondes P dans le manteau S : ondes S dans le manteau K : onde P dans le noyau externe I : onde P dans le noyau interne J : onde S dans le noyau interne

Nomenclature des ondes sismiques

D’après ENS Lyon

La LVZ

L’existence d’une zone d’ombre pour les ondes P et S, localisée entre 100 et 1 000 km de distance à l’épicentre, permet de positionner une zone de ralentissement de ces ondes entre 120 et 200 km de profondeur: probablement constituée de matériaux plus déformables, cette zone à plus faible vitesse appelée LVZ (Low Velocity Zone) sépare la lithosphère globalement rigide, constituée de la croûte et du manteau supérieur lithosphérique, du manteau plus profond dont elle constitue la frange superficielle la plus ductile (c’est-à-dire susceptible de se déformer par étirement sans se casser).

La LVZ

Variation de vitesse des ondes P et S sous les continents (a) et sous les océans (s)

LVZ LVZ

Ne pas confondre asthénosphère et LVZ !!!

LVZ = Zone de l'asthénosphère (entre -100 et -200 km) où on observe souvent un net ralentissement de la vitesse des ondes sismiques. La LVZ marque donc la zone sommitale de l’asthénosphère.

100

50 30

150

200

250

300

2 0

0 4 6 8 10

Vitesse (km/s)

Profondeur (km)

Moho

Ondes S Ondes P

LVZ

Vp et Vs domaine continental

Ast

hén

osp

hè

re

La distinction entre la lithosphère et l’asthénosphère est essentiellement « thermique »: -Dans la lithosphère, la chaleur se propage par conduction, alors que dans l'asthénosphère la chaleur est transmise par conduction mais aussi par convection.

-La limite lithosphère/asthénosphère correspond approximativement à l'isotherme 1 300°C. La limite inférieure de l'asthénosphère est à -700 km environs.

Asthénosphère ductile

Manteau lithosphérique rigide

Croûte océanique

Croûte continentale

Moho

Isotherme 1300 °C

Lithosphère

SYNTHESE: Le Modèle PREM

Cette échographie sismique de la Terre a donc permis de proposer un modèle structural à symétrie Sphérique ; Dziewonski et Anderson (1981) se sont essayés à cet exercice en proposant le modèle PREM (PreliminaryReference Earth Model), qui est un modèle de profil de vitesse dans lequel les sauts brusques de vitesse sont interprétés comme des discontinuités limitant des enveloppes concentriques.

Croute Manteau Moho

Manteau Noyau Gutemberg

Noyau ext Graine Lehman

Lehman

Gutemberg

Changement d’état physique

Lithosphère asthénosphère

LVZ

Changement de comportement mécanique

Changement de composition chimique

Croûte

Croûte / Manteau ………………………………Moho : Mohorovičic, 1909

Manteau sup.

100±20 km ……………………………………….Hales, 1991

L.V.Z.

220 km ……………………………………………Lehmann, 1961, 1964

Manteau sup.

410 km …………………………………………….Jeffreys, 1936

Zone de transition

670 km …………………………………………….Niazi et Anderson, 1965

Manteau inf.

Manteau / Noyau - 2900 km ……………………...Gutenberg, 1914 ; Couche D’’ (*)

Noyau Externe

Noyau Ext. / Int. - 5145 km ………………………Lehmann, 1936

Graine

P (Gpa)

7

14

24

135

330

(*) Dans le modèle terrestre de Bullen (1942), les enveloppes sismologiques sont désignées par une lettre. Le

Manteau inférieur D est divisé en D’ et D’’

Les discontinuités: synthèse

D’après JJ Cochemé

D’autres modèles

Le modèle PREM n’est pas le seul. Seul le modèle PREM fait apparaître la LVZ. D’un modèle à l’autre, les petites différences peuvent s’expliquer par la prise en compte ou pas de l’anisotropie des milieux. Des études montrent que les vitesses peuvent varier localement selon l’orientation des cristaux….Des mesures faites sur les vitesses des ondes S ont révélé des flux horizontaux sous les boucliers, et des flux verticaux sous les dorsales et les zones de subduction… autant de facteurs pouvant modifier les vitesses L’étude de l’anisotropie des milieux devrait permettre d’affiner les modèles en vigueur.

LVZ

La tomographie sismique

La tomographie sismique permet d’établir des "coupes" du globe terrestre grâce à une analyse des vitesses de propagation des ondes sismiques. Les vitesses enregistrées dépendent, notamment, des caractéristiques physiques du milieu traversé (température, pression): « Si une onde sismique traverse un milieu dont les propriétés physiques (densité, modules élastiques) différent de celles du modèle moyen (par exemple PREM), elle arrivera en retard ou en avance (temps résiduel) par rapport aux prédictions de ce modèle. On en déduit alors des cartes de variations de VP et VS par rapport au modèle (notons que l'établissement de ces cartes nécessite la donnée d'un grand nombre de temps de parcours). »

D’après futura-sciences et CNRS

sect. 1

sect. 2

foyer séisme

vitesse normale

vitesse augmentée

vitesse normale

vitesse diminuée

Manteau

+ froid + chaud

coupe ‘’sismo-thermique’’ déduite de

du traitement informatique des

vitesses des ondes

sect.1 : secteur où les ondes sont accélérées sect.2 : secteur ou les ondes sont ralenties

La tomographie sismique

Sur chaque image, les régions colorées en rouge correspondent aux régions anormalement chaudes, la vitesse des ondes est inférieure à la vitesse "normale". Les zones colorées en bleu montrent des régions « froides » ; les ondes s’y propagent rapidement. Ces zones froides correspondent aux plaques océaniques subduites dans la manteau. NB : ces images semblent indiquer que la plaque plongeante peut s’enfoncer jusqu’à l’interface manteau-noyau (CMB : Core mantel boundary).

D’après futura-sciences et CNRS

D’après ENS Lyon

Tomographie sismique à l’aplomb de l’Islande

Le manteau

-Le manteau représente 80% du volume de la Terre (55% pour le manteau inférieur)

- Il est solide puisque les ondes S s’y propagent partout.

- A partir de données sismiques: limite supérieure = Moho (profondeur variable) et limite inférieure = discontinuité de Gutemberg à 2900 Km de profondeur. -La masse volumique des matériaux crustaux avoisine les 2,8 g/cm3, alors que la masse volumique globale de la planète est de 5,52 g/cm3 Manteau constitué de matériaux de densité élevée.

Le manteau

On a pu établir un profil de densité à partir d’échantillons remontés vers la surface (manteau supérieur) et d’expériences menées avec des presses et cellules à enclume de diamant.

Géosciences, C Robert, R Bousquet, BELIN 2013

Rhéologie du manteau

Manteau lithosphérique

Manteau asthénosphérique

Manteau supérieur

Jusqu’à 670 Km

Solide, cassant

Solide, ductile

Solide, ductilité maxi

Solide, ductile

Le manteau, une composition péridotitique

Exemples de roches crustales / exemple de roche mantellique

Péridotite = roche grenue holocristalline riche en olivine + clinopyroxène.

basalte

Granite (Q+F+M)

Absence de feldspaths (ou très peu) dans le Manteau

1ere approche, simple, pour différencier la composition minéralogique et chimique du manteau de la croûte:

Notre connaissance des roches du Manteau supérieur provient de :

• L’étude des complexes ophiolitiques (Oman, Chenaillet…)

• Des enclaves ultrabasiques des basaltes alcalins (Massif Central)

• Des kimberlites (Afrique du Sud)

• Des zones de grandes fractures trans-crustales (océan Atlantique)

Seule la partie la plus superficielle du Manteau supérieur nous est accessible.

Une composition péridotitique établie à partir de plusieurs données

L’ophiolite du Chenaillet

Péridotite serpentinisée (ayant subi un métamorphisme hydrothermal)

Les péridotites du manteau sont principalement des harzburgites homogènes avec un litage très marqué. Minéralogie : matrice brunâtre est constituée par l'olivine partiellement serpentinisée (matrice brunâtre) + orthopyroxènes (cristaux vert-bronze)

Les péridotites de l’ophiolite d’Oman

D’après Gael MARTIN

L’ophiolite d’Oman, un exemple d’obduction

L’ophiolite d’Oman, un exemple d’obduction

D’après Gael MARTIN

Ophiolite de Bou-Azzer (Atlas Marocain)

Péridotite qui affleure autour de l’étang de Lhers (Pyrénées ariégeoises) dont dérive le terme de lherzolite.

La Lherzolite

Brèche de lherzolite fracturée

Enclave de péridotite à spinelle dans une bombe volcanique (Mt Briançon, Devès)

basalte péridotit

e

Enclave de péridotite

D’après JJ Cochemé et P Thoma

Enclave de péridotite dans un basalte (Ardèche)

Exemple de composition d’un nodule péridotitique d’un basalte de Langeac (Auvergne)

Les kimberlites sont des roches volcaniques de composition ultrabasique (SiO2<45%) et sont très riches en H2O et en CO2. Certaines sont diamantifères. On y trouve des fragments de roches (xénolites) arrachés aux parois de la cheminée ou issus des zones profondes du manteau. La roche source de laquelle sont issus les magmas kimberlitiques est probablement une lherzolite à grenat.

Les kimberlites

Kimberlite à gros cristaux d’olivine

Source : Wikipaedia

Une péridotite a une structure "grenue", puisque formée de grains (cristaux) jointifs et sans ciment.

Mais ATTENTION ce n'est :

…ni une roche plutonique, Un pluton (au sens strict) est une intrusion magmatique venue de plus bas, intrudant des roches préexistantes. Les péridotites ne forment pas de pluton : ce ne sont donc pas des roches plutoniques au sens étymologique et strict du terme.

…ni une roche magmatique. Magmatique veut dire dérivant du refroidissement et de la solidification (par cristallisation) d'un magma. Or une péridotite du manteau ne dérive pas de la cristallisation d'un magma.

Comment classer la péridotite ?

La variabilité minéralogique du manteau

Au niveau des lithosphères océaniques, on peut échantillonner différents types de péridotites:

Parmi ces différents types, ce sont les lherzolites qui se rapprochent le plus de ce que pourrait être la péridotite du manteau.

Péridotites

Manteau fertile

Manteau appauvri

Dunite

Manteau

océanique

Lherzolite

Olivine

Orthopyroxène Clinopyroxène

Harzburgites et dunites pourraient matérialiser les produits réfractaires de péridotites lherzolitiques ayant été appauvries par fusion partielle et extraction de magmas.

Evolution minéralogique de la péridotite en fonction de la profondeur

Le modèle PREM fait apparaître deux sauts de vitesse vers 410 km, puis vers 670 km de profondeur.



La confrontation des profils de vitesse avec des données de minéralogie expérimentale (cellules à enclumes de diamant) a permis de proposer un modèle minéralogique traduisant des réorganisations minérales en fonction de la profondeur.



La confrontation des profils de vitesse avec des données de minéralogie expérimentale (cellules à enclumes de diamant) a permis de proposer un modèle minéralogique traduisant des réorganisations minérales en fonction de la profondeur. Cela concerne les minéraux constitutifs de la péridotite: -L’olivine magnésienne (pôle forstérite) -Le pyroxène (l’enstatite MgSiO3)

-Les minéraux alumineux (plagioclase, spinelle, grenat)

Ces réorganisations minérales génèrent des structure de haute densité, ce qui explique l’augmentation de densité en fonction de la profondeur.

Transitions de phase de l’olivine mantellique

L’olivine de basse pression dans le Manteau, comme dans les basaltes, est la

forstérite

Forstérite (Mg) Fayalite (Fe)

Fo 100 Fa 0

Fo 0

Fa 100

Fo 50

Fa 50

olivines (Mg, Fe)

(Mg, Fe)2 SiO4 avec Mg / Fe > 9

Nésosilicate orthorhombique

Pour la forstérite, dans la gamme des pressions équivalente à celles susceptible de régner en profondeur dans le manteau entre 200 et 700 km de profondeur et en supposant une température pour le manteau proche de 1 700 – 1 800 K (bande bleue) , trois changements minéralogiques peuvent avoir lieu (transitions de phase)

Man

teau

su

pér

ieu

r M

ante

au in

f


Pour la forstérite, dans la gamme des pressions équivalente à celles susceptible de régner en profondeur dans le manteau entre 200 et 700 km de profondeur et en supposant une température pour le manteau proche de 1 700 – 1 800 K (bande bleue) , trois changements minéralogiques peuvent avoir lieu (transitions de phase) Les transitions entre les formes α et β des olivines puis entre l’olivine γ et la pérovskite s’accompagnant de brusques augmentations de densité, elles peuvent expliquer les sauts dans le profil de vitesse à 410 et 670 Km.

410 Km

670 Km

Man

teau

su

pér

ieu

r M

ante

au in

f


Pour la forstérite, dans la gamme des pressions équivalente à celles susceptible de régner en profondeur dans le manteau entre 200 et 700 km de profondeur et en supposant une température pour le manteau proche de 1 700 – 1 800 K (bande bleue) , trois changements minéralogiques peuvent avoir lieu (transitions de phase) Les transitions entre les formes α et β des olivines puis entre l’olivine γ et la pérovskite s’accompagnant de brusques augmentations de densité, elles peuvent expliquer les sauts dans le profil de vitesse à 410 et 670 Km. Par contre la transition entre l’olivine β et l’olivine γ ne s’accompagne pas d’un changement suffisant de la densité pour entrainer un saut de vitesse significatif.

410 Km

670 Km

Man

teau

su

pér

ieu

r M

ante

au in

f



Olivine α olivine β (type spinelle) olivine γ pérovskite

Structure de plus en plus compacte, avec diminution de la distance entre les atomes; Tétraèdres SiO4.

Changement de structure (encore plus compacte). Octaèdres SiO6

(Mg, Fe)2 SiO4 (Mg, Fe)2 SiO4 (Mg, Fe)2 SiO4 MgSiO3

SiO4 SiO6

D’après Presnall et Walter, 1993

Géosciences, C Robert, R Bousquet, BELIN 2013

61

La pérovskite (découverte en 1839 par G. Rose) que l’on trouve dans les roches à la surface du globe est un minéral rare de formule CaTiO3 (titanate de calcium).

Ses gisements : roches alcalines sous-saturées (syénites néphéliniques, carbonatites, kimberlites, mélilitites) et marbres du métamorphisme de contact.

La structure pérovskite est de type : A B X3

A : Ba, K, Ca, Pb, REE (20 éléments)

B : Si, Ti … (50 éléments)

X : O, F, Cl, Br (anions non métalliques)

Cations métalliques

Dans le Manteau : MgSiO3

La pérovskite

La post-pérovskite et la couche D’’

A la base du manteau inférieur, avant d’attendre la transition manteau / noyau (2 900 km), la vitesses des ondes sismiques P et S diminue. Ce comportement anormal caractérise une couche D’’ dont l’interprétation demeure encore controversée:

-Elle pourrait correspondre à une nouvelle transition de phase:

Pérovskite Post-pérovskite (structure CaIrO3, encore plus dense (+2%) )

- il s’agirait d’une zone de réactions entre certains constituants du manteau et d’autres du noyau (analogie avec certaines météorites, les lithosidérites, constituées à la fois de fer et de silicates)

Couche D’’

Transitions de phase de l’enstatite (pyroxène)

Pyroxène (Ca,Fe,Mg)Si2O6

Grenat (Mg,Fe,Ca)Al2Si3O12

200

520

Perovskite calcique CaSiO3

Magnétowustite (Mg,Fe)O

Comme pour l’olivine, des expérimentations conduites sur l’enstatite, pyroxène présent dans le manteau ont permis de proposer le modèle minéralogique ci contre.

Transitions de phase des minéraux alumineux

© 2003 Hervé Bertrand

Modèle minéralogique pour le manteau déduit de l’échantillonnage, des données sismologiques et des études de laboratoire

Géologie toit en un – BCPST, Pierre Peycru

Modèle minéralogique pour le manteau déduit de l’échantillonnage, des données sismologiques et des études de laboratoire

Le noyau, un composition chimique délicate à établir

Contrairement au manteau, on ne connait aucun échantillon de roche terrestre ayant pour origine le noyau

Pour proposer un modèle chimique, on se base donc sur des méthodes indirectes:



Pour proposer un modèle chimique, on se base donc sur des méthodes indirectes: - L’étude de la propagation des ondes sismiques (La composition chimique doit être en accord avec le modèle PREM)

-L’étude des météorites

REMARQUE : Le noyau doit être également constitué de matériaux pouvant rendre compte de l’existence d’un champ magnétique sur Terre puisque les autres constituants des enveloppes plus externes ne peuvent en être responsables.



Pour proposer un modèle chimique, on se base donc sur des méthodes indirectes: - L’étude de la propagation des ondes sismiques (La composition chimique doit être en accord avec le modèle PREM)

-L’étude des météorites

REMARQUE : Le noyau doit être également constitué de matériaux pouvant rendre compte de l’existence d’un champ magnétique sur Terre puisque les autres constituants des enveloppes plus externes ne peuvent en être responsables.

Historique :

• Mis en évidence en 1906 par R.D. Holdham

• En 1914, B. Gutenberg donne sa profondeur : 2900 km

• En 1936, I. Lehmann démontre l’existence de la graine

• En 1952, F. Birch montre que le Noyau est composé de fer

La loi de Birch

En 1961, Birch établit des relations entre vitesse de propagation des ondes et densité de différents matériaux. Il montre que pour atteindre la densité du noyau (qui doit être proche de 10), il faudrait comprimer les silicates à des pressions nettement plus élevées que celles régnant au centre de la Terre. Par contre, on peut atteindre de telles densités (et les vitesses de propagations correspondantes) en considérant un noyau principalement constitué de fer (ce qui est égelement cohérent avec l’existence du champ magnétique)

Évolution de la vitesse des ondes sismiques en fonction de la densité pour un certain nombre d’éléments chimiques.

Sciences de la Terre et de l’Univers, A Brahic, M Hoffert, A Schaaf, M Tardy

L’apport de l’étude des météorites

-Les chondrites (80 à 85 % des météorites recensées) Elles sont formées de globules silicatés de taille millimétrique, les chondres, dont la composition inclut olivines, pyroxènes, plagioclases noyés dans une matrice silicatée enrichie de fer, de nickel et de soufre.

On connaît 3 catégories de météorites:




- Les achondrites (7 à 8 %) Pas de chondres. Moins riches en métaux (Fe et Ni) ; On en connaît deux types principaux, les eucrites de composition basaltique et les aubrites de composition péridotitique.




- Les achondrites (7 à 8 %) Pas de chondres. Moins riches en métaux (Fe et Ni) ; On en connaît deux types principaux, les eucrites de composition basaltique et les aubrites de composition péridotitique.

-Les météorites ferreuses (de 7 à 8 %) Elles ne contiennent pas de chondres non plus mais sont essentiellement composées d’un alliage Fe-Ni avec 5 à 10 % de Ni ; La plupart ne contiennent que cet alliage sidérites, Quelques-unes contiennent Fe-Ni + un peu de silicates sidérolites

Rappel sur la formation de la Terre: La formation de la Terre, contemporaine de celle des autres planètes du système solaire, s’est réalisée à partir de la condensation d’un nuage de poussières Interstellaires qui ont donné des petits corps (planétésimaux). Ces planétésimaux gravitent autour du Soleil sur des orbites plus ou moins stabilisées: les collisions sont fréquentes et suivant les cas, ils se cassent, se capturent les uns les autres, les plus massifs « absorbant » les plus petits et conduisant alors à un nombre réduit de corps plus volumineux, les planètes.


Rappel sur la formation de la Terre: La formation de la Terre, contemporaine de celle des autres planètes du système solaire, s’est réalisée à partir de la condensation d’un nuage de poussières Interstellaires qui ont donné des petits corps (planétésimaux). Ces planétésimaux gravitent autour du Soleil sur des orbites plus ou moins stabilisées: les collisions sont fréquentes et suivant les cas, ils se cassent, se capturent les uns les autres, les plus massifs « absorbant » les plus petits et conduisant alors à un nombre réduit de corps plus volumineux, les planètes. Cette seconde phase d’évolution des planétésimaux en planètes est aussi appelée phase d’accrétion planétaire ; elle semble être accompagnée d’une phase de différenciation au cours de laquelle, pour la Terre, les éléments chimiques les plus lourds (Fe, Ni) se rassemblent vers le centre par gravité et forment son noyau, alors que les éléments plus légers (O, Si, Al, Ca, Na et K) demeurent à la surface dans son manteau.



- Les chondrites, âgées de 4,56 à 4,55 Ga, seraient issues de la dislocation de planétésimaux au cours de collisions « sans capture ». Elles sont représentatives des matériaux non différenciés qui ont donné les planètes du système solaire (dont la Terre)


- Les chondrites, âgées de 4,56 à 4,55 Ga, seraient issues de la dislocation de planétésimaux au cours de collisions « sans capture ». Elles sont représentatives des matériaux non différenciés qui ont donné les planètes du système solaire (dont la Terre) - Les achondrites et les météorites ferreuses, plus récentes (âges compris entre 4,53 et 4,50 Ga), correspondraient quant à elles à la fragmentation de planètes déjà différenciées au cours de collisions plus tardives.


-La composition globale des chondrites révèle qu’elles sont beaucoup plus riches en Fer et Ni que la composition globale du manteau terrestre. Les chondrites ayant une composition globale qui reflète celle de la Terre Fe et Ni doivent être beaucoup plus présents dans le noyau terrestre.


- Les achondrites et les météorites ferreuses permettent de confronter les modèles déduits des données sismologiques concernant la chimie des enveloppes les plus profondes de la Terre (achondrites pour le manteau et la croûte, météorites ferreuses pour le noyau)


-L’étude au laboratoire des alliages de fer et de nickel dans différentes proportions montre que la répartition de 93 % et 7 % (en % massique) est cohérent avec le profil de vitesse du noyau.

-Cette proportion Fe Ni est également compatible avec l’existence d’une couche externe fondue et d’un coeur solide (valable si la température au niveau de la discontinuité de Lehman est voisine de 5 000 K.

Quelques remarques

Des calculs montrent que, du fait du refroidissement du noyau, la graine grossit d’environ 500 km par milliard d’années ; ce coeur solide ne serait donc guère plus vieux que 2 Ga et la discontinuité de Lehman n’est donc pas fixe à l’échelle des temps géologiques. Le modèle que nous décrivons pour la structure du globe est donc celui d’une structure en évolution permanente.

Quelques remarques

Le noyau terrestre n’est pas uniquement constitué par l’alliage fer-nickel car sa densité à haute pression, mesurée en laboratoire, donne des valeurs plus élevées que celles déduites des ondes de choc (acoustiques) dans le noyau externe. Il faut donc ajouter au fer environ 10 % d’éléments plus légers (Si, S, O, C, H) pour rendre compte de cette différence.

Quelques remarques

On suppose que le noyau s’est formé lorsque le corps planétaire était encore très chaud, sans doute presque totalement liquide (l’accrétion et les plus grands impacts d’astéroïdes ont fourni suffisamment d’énergie). La phase métallique plus dense s’est séparée de la phase liquide silicatée plus légère, à la manière de l’huile qui se sépare de l’eau, pour migrer vers le centre et donner le noyau.

Le noyau terrestre n’est pas uniquement constitué par l’alliage fer-nickel car sa densité à haute pression, mesurée en laboratoire, donne des valeurs plus élevées que celles déduites des ondes de choc (acoustiques) dans le noyau externe. Il faut donc ajouter au fer environ 10 % d’éléments plus légers (Si, S, O, C, H) pour rendre compte de cette différence.

Quelques remarques

La datation des achondrites et les météorites ferreuses (donc différenciées) permet de supposer que les premières planètes différenciées ont existé 20 à 30 MA après que leur accrétion ait eu lieu. La phase de différenciation s’est donc faite probablement rapidement après la formation des planètes.

Le magnétisme terrestre

Le champ magnétique terrestre est comparable à celui d’un dipôle magnétique. Ses caractéristiques: -Déclinaison (angle entre la composante horizontale du champ et le Nord géographique) -Inclinaison (angle entre la composante horizontale du champ et la direction du champ total qui dépend de la latitude -Intensité (en nanotesla)

Exemple: en France, 6°, 64° et 46 000 nT N

S

N S



La magnétosphère -Géométrie contrôlée par les vents solaires (comprimée du côté du Soleil) -Cornets polaire et ceintures de Van Allen protège la biosphère en piégeant les particules de haute énergie (protons et électrons) émises par le Soleil. -La magnétopause est la limite d’influence du champ magnétique

Représentation simplifiée de la magnétosphère terrestre Eq.m. = équateur magnétique; CVA : ceintures de Van Allen



La magnétosphère

Les cornets polaires agissent comme des entonnoirs dans lesquels les particules électrisées du vent solaire peuvent pénétrer et provoquer l'apparition d'aurores polaires.

Source : Wikipedia


La géodynamo

Mouvements de convection (fer ionisé) dans le noyau liquide

Cristallisation du fer

Libération de chaleur latente de

solidification Croissance de la graine au dépends de la partie liquide

Champ magnétique

Interaction

+

Géodynamo auto-excitée

Courants électriques induits


La géodynamo

Mouvements de convection (fer ionisé) dans le noyau liquide

Cristallisation du fer

Libération de chaleur latente de

solidification

Des questions en suspens : Pourquoi le champ est il dipolaire ? Quelles sont les causes des inversions du champ magnétique ? Croissance de la

graine au dépends de la partie liquide

Champ magnétique

Interaction

+

Géodynamo auto-excitée

Courants électriques induits

La géodynamo ne fait pas appel à un aimant permanent. Les températures de plusieurs milliers de degrés (> point de Curie, 770°C pour le fer), font perdre à tout aimant ses propriétés magnétiques.


Aimantation rémanante

Certains corps dits « ferromagnétiques », en présence d’un champ magnétique, peuvent acquérir une aimantation et la garder en mémoire (aimantation rémanante) C’est le cas des éléments: Fe, Ni, Co, Mn et des minéraux: magnétite, hématite L’aimantation rémanante est acquise qu’en dessous d’une température (TC = point de Curie, 770°C pour le fer, 585°C pour la magnétite) Au dessus du point de Curie, le matériau perd ses propriétés magnétiques

T > TC

Aimant Aimant

Tige en fer Tige en fer


Aimantation rémanante

Certains corps dits « ferromagnétiques », en présence d’un champ magnétique, peuvent acquérir une aimantation et la garder en mémoire (aimantation rémanante) C’est le cas des éléments: Fe, Ni, Co, Mn et des minéraux: magnétite, hématite L’aimantation rémanante est acquise qu’en dessous d’une température (TC = point de Curie, 770°C pour le fer, 585°C pour la magnétite) Au dessus du point de Curie, le matériau perd ses propriétés magnétiques

T > TC T < TC

Aimant Aimant

Tige en fer Tige en fer


Dans le cas d’une roche magmatique, l’aimantation est acquise lors du refroidissement du magma, lorsque sa température passe en dessous du point de Curie (généralement lorsque le matériau est à l’état solide).

L’aimantation est acquise par les mouvements ou « spins » des électrons célibataires des atomes (de Fer par exemple)

… et non pas par des réorientations de minéraux dans une phase liquide, qui se comportent comme de mini-boussoles !





Lave Lave Roche volcanique

Réorientation des cristaux Solidification






CE SCHEMA EST FAUX !!!




Dans le cas de roches sédimentaires contenant des particules magnétiques, les particules s’orientent lors du dépôt et la diagenèse, selon le champ magnétique existant.




CE SCHEMA EST FAUX !!!


Les variations temporelles du champ magnétique

-Variations rapides: Elles sont liées aux variations du rayonnement électromagnétique du Soleil et aux particules chargées du vent Solaires Elles peuvent avoir un caractère brutal (orages magnétiques), journalier ou plus lent (dans ce cas, obéit au cycle d’activité Solaire de 11 ans)

Des variations mesurables et enregistrables


-Variations rapides: Elles sont liées aux variations du rayonnement électromagnétique du Soleil et aux particules chargées du vent Solaires Elles peuvent avoir un caractère brutal (orages magnétiques), journalier ou plus lent (dans ce cas, obéit au cycle d’activité Solaire de 11 ans)

Des variations mesurables et enregistrables

-Variations séculaires (dérive lente d’années en années) : La déclinaison D varie de quelques minutes par an dans un sens ou dans l’autre les pôles magnétiques se déplacent

Alain Mazaud , CEA-DSM


L’analyse du paléomagnétisme des roches révèle des inversions du champ magnétique.

Le paléomagnétisme, cadre historique

-En étudiant des coulées volcaniques d’Auvergne, Brunhes (1903) découvre que non seulement les laves ont une mémoire magnétique, mais aussi que certaines montrent des inversions du magnétisme.





-En 1929, le japonais Matuyama ajoute une notion temporelle à ces inversions. Il date diverses coulées de laves et conclut à l'existence d'inversions multiples à travers les temps géologiques.





-En 1929, le japonais Matuyama ajoute une notion temporelle à ces inversions. Il date diverses coulées de laves et conclut à l'existence d'inversions multiples à travers les temps géologiques. -En 1963, Morley, Vine et Matthews montrent que des anomalies magnétiques marines fournissent des preuves de l'expansion océanique REMARQUE: La datation absolue par la méthode K-Ar est mise au point à la fin des années 50.

Paléomagnétisme et expansion océanique

Des mesures du champ magnétique ont été effectuées en surface des océans en utilisant des magnétomètres embarqués à bord d’avions ou tractés par des navires océanographiques. Ces mesures ont permis de détecter de légères variations du champ magnétique.


Intensité mesurée par le magnétomètre

Magnétomètre

Océan Dorsale

Basalte

Sédiments

D’après schéma Ac Dijon


Ces écarts ou anomalies, d’amplitudes inférieures ou égales à 1 % du champ total le plus souvent (en moyenne voisines de 100 nT), ont été interprétés par Morley, Vine et Matthews (1963) comme résultant de l’ajout ou du retrait au magnétisme actuel d’un magnétisme « fossile » issu des roches magmatiques du plancher océanique.


Profil magnétique du lieu

Anomalie + Anomalie -

intensité du champ magnétique terrestre actuel

Intensité mesurée par le magnétomètre Anomalie +

Anomalie -

Intensité mesurée normalisée

intensité du champ magnétique terrestre actuel

Magnétomètre

Océan Dorsale

Basalte (flèches indiquent aimantation normale ou inverse)

Sédiments



Leur distribution symétrique par rapport à l’axe des dorsales et leur parfaite correspondance avec la succession des périodes et événements du calendrier paléomagnétique sont à l’origine de l’hypothèse de l’expansion des fonds océaniques (Sea floor spreading) qui reprend l’idée de Hess (1962) d’une dynamique en « tapis roulant » des fonds océaniques et l’étaye largement.


T1 : polarité inverse

T3 : polarité inverse

T2 : polarité normale


Ax D

Ax D

500

Ax D a b

120 60 0 60 120 Km

MA 0 2 1 3 4 1 2 3 4

Anomalies magnétiques de part et d’autre de la dorsale de Juan de Fuca


La largueur des bandes d’anomalies dépend de la vitesse d’expansion et de de la durée pendant laquelle le champ magnétique est resté constant. Les mesures de distance à la dorsale associées aux âges des anomalies obéissent à une relation linéaire donnant le demi-taux d’expansion



140° 160° 120° 100° 80° 60°

30°

20°

10°

Pl. Nazca Pl.

Pacifique

Pl. Amérique du Sud

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Age des fonds océaniques (Ma)

10 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 Ma

Echelle magnéto stratigraphique (10 millions d’années)

Anomalies mesurées

O-NO E-SE

0 100 100 200 200 300 400 500 300 400 500

Distance (km)/axe dorsale

Exemple dorsale Pacifique Est



Anomalies magnétiques positives

Anomalies magnétiques négatives

Dorsale Est-

Pacifique

1 2 3 0 0

40

80

120

Distance

/dorsale (km)

Tps (MA)

Dorsale Atlantique


La largueur des bandes d’anomalies dépend de la vitesse d’expansion et de de la durée pendant laquelle le champ magnétique est resté constant. Les mesures de distance à la dorsale associées aux âges des anomalies obéissent à une relation linéaire donnant le demi-taux d’expansion

- 0,2

- 0,8

MA

- 0,9

- 1,7

- 2,2

- 2,6

- 3,0

- 3,4

- 4,1


Construction d’une échelle magnétostratigraphique

1. Mesure des inversions au sein d’une succession de coulées

D’après http://www2.ggl.ulaval.ca

- 0,2

- 0,8

MA

- 0,9

- 1,7

- 2,2

- 2,6

- 3,0

- 3,4

- 4,1





- 0,2 Ma

- 0,8 Ma

- 0,9 Ma

- 1,7 Ma

- 2,2 Ma

- 2,6 Ma

- 3,0 Ma

- 3,4 Ma

- 4,1 Ma

- 3 Ma

- 2 Ma

- 4 Ma

- 1 Ma

0

Carotte de forage

Echelle des temps géologiques

2. Datation absolue

- 0,2

- 0,8

MA

- 0,9

- 1,7

- 2,2

- 2,6

- 3,0

- 3,4

- 4,1



3. Synthèse à partir de plusieurs études locales Echelle magnétostratigraphique


2. Datation absolue


- 0,2 Ma

- 0,8 Ma

- 0,9 Ma

- 1,7 Ma

- 2,2 Ma

- 2,6 Ma

- 3,0 Ma

- 3,4 Ma

- 4,1 Ma

- 3 Ma

- 2 Ma

- 4 Ma

- 1 Ma

0

Carotte de forage

Echelle des temps géologiques

- 3 Ma

- 2 Ma

- 4 Ma

- 1 Ma

0 Évènements

Jaramillo

Gilsa

Olduvai

Kaena

Mammoth

Cochiti

Nunivak

Gilbert (inverse)

gauss (normal)

matuyama (inverse)

brunhes (normal)

- 2,43

- 3,32

- 0,69

Époques Laschamp



On possède actuellement une chronologie détaillée des inversions pour les 180 derniers MA.

D’après Schéma Ac Dijon

2

4

6

6

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32 70

80

60

50

40

30

20

10

0 âge (MA)

n° anomalie

campanien

maestrichtien

danien

thanetien

ypresien

lutetien

priabonien

bartonien

rupelien

chattien

aquitanien

burdigalien

langhien Serravallien

tortonien

pliocene

messinien

pleistocene

CRETACE

SUP.

PALEOCENE

EOCENE

EOCENE

MIOCEN

E

M24

M22

M20

M18

M16

M14

M12

M10 M8 M6 M4

M2

M0

34

âge (MA) 80

90

100

110

120

130

140

150

160

n° anomalie

Callovien

Oxfordien

kimmeridgien

tithonien

berriasien

valanginien

hauterivien

barremien

aptien

albien

cenomanien

turonien coniacien

santonien

campanien

CRETAC

E INFERIEUR

JURASSIQUE

CRETACE

SUP.



On possède actuellement une chronologie détaillée des inversions pour les 180 derniers MA.

Elles montrent que: -Les durées des périodes normales et inverses sont très variables au cours du temps (de l’odre de 100 000 ans à plusieurs dizaines de MA) -La fréquence des inversions change au cours du temps -Pendant le Crétacé, les inversions ont été rares ou absentes

REMARQUE : On suppose que pendant les inversions, le champ magnétique décroit jusqu’à 20% de sa valeur normale, ce qui pourrait diminuer de façon significative le rôle protecteur de la magnétosphère.


145 MA 65 MA

CRETACE

Paléomagnétisme et cinématique des plaques

L’étude du paléomagnétisme des roches (si elles sont restées en place) permet de reconstituer les positions passées de plaques tectoniques


Exemple : anomalies magnétiques de l’Atlantique central et reconstitution de la position des continents (Amérique du Nord supposée fixe)

d’après Olivet et Caron

Paléomagnétisme et cinématique des plaques

L’étude du paléomagnétisme des roches (si elles sont restées en place) permet de reconstituer les positions passées de plaques tectoniques


100 km

BALEARES

SARDAIGNE

- 2000 m

B

A

C

- 2000 m

MEDITERRANEE

bassin Algéro-Provençal)

Mer ligure Golfe du Lion

Provence Roussillon

Pyrénées

Alpes

CORSE

direction de l’axe passant par les 2 paléopôles magnétiques

Rhyolites de l’Estérel (Provence) et de Scandola (Corse)

Exemple : paléomagnétisme des rhyolites permiennes (-250 MA) de l’Estérel et de Corse


Planétologie comparée

Le Soleil

- Composition (en masse) = 73 % d’hydrogène, 25 % d’hélium et une fraction d’éléments plus lourds. -Il tire son énergie de réactions de fusion nucléaire dans son noyau: 4 H He Les réserves d’hydrogène devraient encore lui permettre de briller pendant 5 à 7 Ga

D’après Wikipedia


Le Soleil

D’après Wikipedia

C’est une étoile (type naine jaune) de taille moyenne, mais qui représente environ 99,86 % de la masse du Système solaire.


Le Soleil

-Zone radiative : -Gaz immobile. Energie transportée par radiation.

-Zone convective : -Gaz turbulent animé de mouvements de convection

-Atmosphère:

-Photosphère (émission de photons) -Chromosphère

-Couronne solaire : plasma de haute température (3 millions de degrés) et de très faible densité Evasion de protons et d’électrons qui vient frapper les planètes du système solaire (vent solaire)


Le Soleil

Le champ magnétique terrestre nous protège des vents solaires. Les vents solaires sont à l’origine des aurores polaires (interaction entre les particules chargées du vent solaire et la haute atmosphère)

Aurore boréale en Alaska (source : wikipedia)


Le Soleil

L’activité solaire se manifeste par des phénomènes violents d’expulsion de matière (éruptions solaires) et par les tâches solaires (régions sombres de la photosphère qui sont le siège d’un intense champ magnétique orienté radialement) Le nombre total de tâches solaires varie entre un minimum et un maximum selon un cycle de 11 ans en moyenne.

Le Petit Âge glaciaire correspond à un refroidissement de l'Europe au XVIIème et XVIIIème siècles. On a observé une corrélation entre un minimum de l'activité solaire (minimum de Maunder (1645-1715)) et ce refroidissement durant cette même période.

© 1998 Hoyt and Schatten, modifié

Pendant cette période, la baisse du rayonnement solaire total (plus exactement la luminosité totale) est de 0,2 à 0,3%. Mais la concomitance de ces évènements n'est pas la preuve d'un lien de cause à effet....

D’après ENS Lyon


Les objets du système solaire



• Les planètes « gazeuses » (ou « planètes géantes » car grande taille par rapport aux planètes telluriques) : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Elles sont essentiellement constituées d’hydrogène et d’hélium.

• Les planètes telluriques: Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Surface rocheuse solide (silicates et de fer essentiellement).



• Les planètes naines correspondent à une catégorie nouvelle qui regroupe des objets assez divers (satellites de certaines planètes par exemple) Pluton, anciennement rangée chez les planètes est maintenant considérée comme une planète naine.

Pluton

• Les astéroïdes ont une composition voisine de celle des planètes telluriques mais sont plus petits et de forme plus irrégulière. Plusieurs milliers ont été recensés. La plupart évoluent au sein d’une ceinture installée entre les orbites de Mars et de Jupiter, tandis que d’autres plus lointains, forment la ceinture de Kuiper.



Astéroïdes

• Les comètes sont des amas de glaces (eau et gaz gelés) et de poussières. Situées bien plus loin du Soleil que les planètes, elles peuvent parfois dévier de leur trajectoire et s’en rapprocher. Des glaces se vaporisent alors et les gaz accompagnés de poussières forment leur queue.



Comète Hale Bopp

© Ciel et Espace


Les températures de surface

Dépend essentiellement de la distance au Soleil.

Courbe traduisant la relation entre température de surface moyenne des planètes et leur distance au soleil (D = distance Soleil – planète et E = énergie reçue)

Cas particulier de Vénus: S’explique par un effet de serre important (atmosphère épaisse riche en CO2)

Géologie, objets, méthodes et modèles – J Dercourt, J Paquet, P Thomas, C Langlois


Composition chimique et minéralogique

Analyses directes (in situ)

- Lune : Roches magmatiques Récolte d'échantillons lunaires par John Young, de la mission Apollo 16

NASA, 1972

Les analyses chimiques montrent que les silicates de la Lune ont une composition chimique voisine de celle du manteau terrestre, à une différence notable près : par rapport au manteau terrestre, la Lune est considérablement appauvrie en éléments ou composés relativement volatils (à basse température de vaporisation), en particulier le potassium. À l'opposé, la Lune est enrichie en éléments réfractaires (à haute température de vaporisation), en particulier l'uranium et le thorium.



Apport de la sismologie

Les études sismiques ont confirmé la très petite taille du noyau lunaire.

Les deux corps ont été représentés avec la même taille pour faciliter les comparaisons. Seules ont été représentées les limites chimiques et minéralogiques, sans figurer les limites physiques (température, viscosité…). Ces deux corps possèdent une croûte constituée principalement de silicates légers, surtout des feldspaths. La croûte lunaire est plus épaisse (60 à 100 km) que la croûte terrestre (6 à 35 km). Les croûtes surmontent un manteau riche en minéraux ferro-magnésiens (olivine et pyroxène). Le noyau de la Lune est relativement beaucoup plus petit (20% du rayon, 0,8% du volume) que celui de la Terre (54% du rayon, 15% du volume). Par rapport à la Terre, la Lune est très appauvrie en fer.

D’après P Thomas, ENS Lyon


Autres analyses directes (in situ)


Les sondes qui se sont posées sur Mars et Vénus ont effectué des analyses surfaces silicatées également

La sonde Galiléo (Jupiter) Hydrogène et hélium essentiellement sur les 100 Km traversés

La sonde Huygens (Titan, satellite de Saturne) glaces d’eau, de méthane et d’hydrocarbures

ESA/NASA/JPL/University of Arizona.


Etudes spectrales


Principe : Le rayonnement solaire est partiellement absorbé par le sol et l’atmosphère d’une planète. Une partie du rayonnement est réfléchit. Le spectre de ce rayonnement réfléchi possède des bandes d’absorptions caractéristiques de telles ou telles substances gazeuses, liquides ou solides.

Exemple : Spectre de réflexion de Triton, satellite de Neptune



Etudes spectrales




Montre la présence de CH4 gelé



Etudes spectrales




Un peu d’H2O gelée ?



Etudes spectrales




Montre la présence de N2



Etudes spectrales


Ces études ont permis d’établir que: -Mercure et la majorité des astéroïdes ont une surface silicatée

-Certains astéroïdes renferment de la matière organique

-Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune ont une surface essentiellement composée H2 et He, avec des nuages de NH3 et CH4

-Pluton et la quasi-totalité des satellites des planètes externes ont une surface constituée essentiellement de glace d’H2O et (ou) de CH4, avec un peu de silicates et de composés organiques


Taille, masse volumique

La construction d’un graphique Diamètre / masse volumique souligne la classification 2 catégories de planètes: Planètes géantes: masse volumique faible mais taille importante Planetes telluriques : masse volumique plus importante mais taille plus petite

Seuls sont indiqués sur ce graphique les planètes et satellites de + de 400 Km de diamètre


Géantes Telluriques


Mercure

Zoom sur les planètes telluriques

-Surface cratérisée et bassins remplis de laves sombres (comme la Lune) -Grands escarpements de faille (contraction thermique ?) -Noyau (70 % de la masse de la planète) -Pas de trace d’activité interne récente

Mercure vue par Mariner 10


Vénus


- vapeur d’eau et CO2 (le CO2 n’a pas été piégé sous forme de carbonates car pas d’eau liquide

Surface de Vénus vue par la sonde Magellan

- cratères d’impact mais âge < 1Ga (donc croûte jeune) -Croûte épaisse et rigide (basaltique). Pas d’asthénosphère (pas d’état ductile car pas d’eau liquide). Pas de mouvements horizontaux de plaques -Volcanisme actif de point chaud -Peut être une tectonique des plaques épisodique (permet recyclage de la lithosphère froide par incorporation au manteau)


Mars


-Planète rouge car fer oxydé en surface -Calottes glaciaires (eau et CO2 gelé) -Cratères -Olympus Mons, le plus grand volcan du

système solaire (600 Km à la base) Activité volcanique importante, (ainsi qu’une activité convective mantellique), mais plus aujourd’hui -Valles Marineris : énorme canyon de 4000 Km de long et 100 Km de large, prof de 8 Km activité tectonique importante dans le passé -Traces de cours d’eau: l’eau a existé à l’état liquide dans le passé. -Actuellement présence de glace d’eau (et probablement de l’eau liquide dès 5 Km de profondeur)


Zoom sur les planètes géantes

-Composition: 99 % d’hydrogène et d’hélium (+ méthane, ammoniaque, eau, tous à l’état solide) -Atmosphère très agitée -On suppose que le centre est un noyau solide (silicates et glace ?)

Jupiter


L’eau sur les planètes

Les états de l’eau dépendent de la température et la pression. La Terre est la seule planète à posséder de l’eau liquide à sa surface. Cette eau a permis notamment à fixer une partie du CO2 atmosphérique (précipitation sous forme de carbonates). C’est un solvant qui a permis à la vie de se développer

Mercure

Venus

Terre

Mars


Fenêtre d’habitabilité

La Terre possède de l’eau liquide en surface parce quelle se situe « à la bonne distance » du Soleil. On peut ainsi définir une zone d’habitabilité qui conditionnerait la présence d’eau liquide donc de vie


La vie ailleurs ?

Ganymène, Callisto (satellites de Jupiter) et Titan (de Saturne)

Ces 3 satellites ont la même structure interne: - noyau de silicates + fer, - manteau d'H2O plus ou moins riche en méthane, ammoniac et autres molécules organiques.


Température externe: –170 à –200°C

Ce manteau d'H2O serait divisé en 3 couches, avec de haut en bas : - une couche sommitale de glace d'H2O de basse pression (glace "normale", dite glace I) - un océan d'eau liquide - une couche de glaces d'H2O de haute pression (glace V et VI) de plusieurs centaines de km

d'épaisseur.


La vie ailleurs ?

Donc présence un océan d'eau liquide, sans doute assez riche en molécules organiques, pris en sandwich entre 2 couches de glaces.

Ganymène, Callisto (satellites de Jupiter) et Titan (de Saturne)

Exemple de réactions pouvant être réalisées par des bactéries chimio-lithotrophes terrestres:

2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O + Énergie 2 FeO (dans un silicate) + H2O → Fe2O3 + H2 puis CO2 + 8 H2 → CH4 + 2 H2O + Énergie

Dans ce cas, l’énergie provient de l’oxydation des sulfures ou du FeO en solution (contient Fe 2+)

Des trois ingrédients nécessaires à la vie terrestre [carbone, eau liquide et source d'énergie (lumineuse ou chimique)], deux sont présents (carbone et eau liquide), mais l'un manque car dans l'océan profond: -pas de lumière -pas (ou peu) de réaction eau + silicates ferreux (l'océan liquide n'est pas en contact direct avec les silicates).

De la vie est loin d'y être exclue, mais cet océan n'est pas a priori le site le plus favorable au développement de la vie.

Fumeur noir


La vie ailleurs ?

Europe (satellites de Jupiter)


Température externe: –170 °C

- 90% de silicates + fer, / 10% d'eau. - Noyau de fer - Manteau silicaté recouvert d'une couche d'H2O théoriquement gelée (vu la température). - On n'a pas d'indication certaine sur la présence ou l'absence de NH3, CH4 et autres hydrocarbures dans cette eau, mais tout laisse à penser qu'il y en a.


La vie ailleurs ?

Europe (satellites de Jupiter)


-Les études de géologie de la surface et les modèles thermiques suggèrent que cette couche d'H2O de 100 km est dégelée sur la majorité de son épaisseur, réchauffée à sa base une activité volcanique sous marine. -Europe serait en fait recouvert d'un océan d'H2O liquide surmonté d'une banquise d'une dizaine de kilomètres d'épaisseur.

Par analogie avec ce qu'il se passe sur Terre, on a là une source d'énergie chimio-lithotrophe potentielle existant sur Terre : FeO (contenu dans silicates) + H2O → Fe2O3 + H2 puis, H2 + CO2 → CH4 (et autres molécules organiques) + H2O Cela pourrait tout à fait permettre à la vie de se développer dans cet océan européen.

Vue d’artiste de la surface d’Europe Source: Futura-Sciences

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