La croûte terrestre, souvent qualifiée de couche terrestre superficielle, constitue la partie la plus externe de la structure de la Terre. Elle se présente sous deux formes principales : la croûte continentale et la croûte océanique.
Définition de la Couche Terrestre Superficielle
La croûte terrestre est la partie « superficielle » de la structure de la Terre, car elle se trouve à la surface. Cette croûte peut être immergée ou émergée, formant ainsi les océans et les continents.
- Les continents sont de vastes étendues de sol émergées à la surface terrestre.
- Les océans sont de vastes étendues d’eau salée situées entre les continents, occupant environ 70% de la surface terrestre. On en compte quatre principaux : le Pacifique, l’Atlantique, l’Indien et l’Arctique.
Composition et Altitude
La croûte terrestre océanique, c’est-à-dire l’étendue de sol située au fond des océans, est composée de gabbro et de basalte, deux roches magmatiques. L’altitude différencie les deux types de croûte terrestre cités. Le niveau « zéro » correspond au niveau de la mer, une valeur de référence utilisée pour calculer les altitudes.
- Les continents sont situés au-dessus du niveau de la mer, avec une altitude positive de quelques centaines de mètres.
- L’altitude des océans est mesurée de la croûte terrestre immergée au niveau de la mer.
La différence d’altitude résulte également de l’épaisseur variable des croûtes continentales et océaniques, respectivement 30 et 7 kilomètres.
Structure Interne de la Terre
Pour mieux comprendre la couche terrestre superficielle, il est essentiel de situer son rôle dans la structure globale de la Terre. Le globe terrestre est composé de plusieurs parties distinctes, chacune ayant des propriétés et une composition spécifiques.
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Le Noyau : Situé au centre de la Terre, le noyau est divisé en deux parties. Le noyau interne est solide, tandis que le noyau externe est liquide.
Le Manteau : Entourant le noyau, le manteau se divise en deux parties : le manteau inférieur et le manteau supérieur.
La Croûte Terrestre : La couche la plus externe, divisée en croûte continentale et croûte océanique.
La Lithosphère
La partie située en dessous de la croûte terrestre correspond à la lithosphère, séparée de la couche superficielle par la ligne « MOHO ». Les plaques tectoniques sont des fragments de lithosphère formés à partir de failles, de dorsales ou de zones de subduction. La lithosphère est ainsi composée de la croûte terrestre continentale ou océanique, et d’une partie du manteau. Elle n’a donc pas une structure homogène.
L'Asthénosphère
L’asthénosphère est située en dessous de la lithosphère. C’est sur l’asthénosphère que les plaques tectoniques se déplacent, elle en est donc le support.
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Composition Détaillée de la Lithosphère
La lithosphère, enveloppe terrestre la plus externe, est une couche rigide et solide. Elle englobe la croûte terrestre (océanique et continentale) et la partie supérieure du manteau. Sa caractéristique principale est sa rigidité, contrairement à l'asthénosphère sous-jacente, plus ductile. Cette rigidité permet la fragmentation de la lithosphère en plaques tectoniques, moteur de la tectonique des plaques et de nombreux phénomènes géologiques comme les séismes et le volcanisme.
Composition de la Lithosphère
La lithosphère, bien que formant une couche rigide, présente une composition complexe et hétérogène. Elle est principalement constituée de deux parties distinctes :
- La croûte terrestre
- Le manteau lithosphérique
Ces deux couches, bien que différentes en composition minéralogique et en densité, sont solidaires et interagissent de manière complexe pour former cette enveloppe solide et rigide de notre planète.
La Croûte Terrestre : Continentale et Océanique
La croûte terrestre, partie la plus superficielle, se différencie en deux types distincts : la croûte continentale et la croûte océanique. Ces deux types de croûte diffèrent significativement en termes d'épaisseur, de composition chimique et de densité.
Croûte Continentale : Plus épaisse et moins dense, elle est principalement composée de roches granitiques riches en silice et en alumine. Sa formation est liée à des processus tectoniques complexes, impliquant notamment la fusion partielle du manteau et la différenciation magmatique. Elle est caractérisée par une grande variété de reliefs, des hautes montagnes aux vastes plaines, reflétant une histoire géologique longue et complexe.
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Croûte Océanique : Plus fine et plus dense, elle est principalement composée de basaltes, roches magmatiques riches en fer et en magnésium. Sa formation est liée à l'activité volcanique au niveau des dorsales océaniques, où de nouvelles roches basaltiques sont continuellement créées par la remontée du magma mantellique. La croûte océanique est relativement jeune comparée à la croûte continentale, avec des âges rarement dépassant 200 millions d'années. Elle est également moins diversifiée en termes de composition et de relief que la croûte continentale, présentant une topographie relativement plane et uniforme.
Le Manteau Lithosphérique
Sous la croûte terrestre se trouve le manteau lithosphérique, une partie du manteau terrestre qui est intégrée à la lithosphère. Il est composé principalement de péridotite, une roche ultramafique riche en olivine et en pyroxènes. Le manteau lithosphérique est plus dense que la croûte et joue un rôle crucial dans la rigidité et la stabilité de la lithosphère. Sa composition et ses propriétés physiques influencent fortement les processus tectoniques et la dynamique de la lithosphère.
La transition entre le manteau lithosphérique et l'asthénosphère, couche ductile sous-jacente, est progressive et définie par des changements dans les propriétés rhéologiques du manteau. La composition et la structure de la lithosphère sont donc des facteurs clés pour comprendre la dynamique de la planète Terre et les phénomènes géologiques qui la façonnent.
Densité de la Croûte Terrestre
Chaque domaine de la croûte terrestre se distingue par sa densité. La croûte continentale a une densité d'environ 2,7, tandis que la croûte océanique a une densité d'environ 2,9.
Roches et Minéraux
La croûte, située à la surface du globe, n’est pas uniforme. Une roche est composée de minéraux, et il existe plusieurs catégories de minéraux classés en fonction de leur composition chimique.
Roches Magmatiques
Le magma provient des profondeurs de la Terre, plus particulièrement du manteau entré en fusion. Il remonte à la surface lors des éruptions volcaniques, où il est désigné sous le terme de « lave ». On trouve deux principaux types de roches magmatiques : les basaltes en surface et les gabbros en profondeur.
- Basaltes : Roches volcaniques formées lorsque le magma atteint la surface ou une faible profondeur et se refroidit rapidement.
- Gabbros : Roches plutoniques issues d’un refroidissement lent en profondeur.
Transformation des Roches
Quand le granite se désagrège, il forme du sable, mais ce sable peut à son tour se compacter et former une nouvelle roche : le grès. Sur le même principe, les roches silicatées deviennent de l’argile.
Roches Métamorphiques
Les roches présentes au niveau de plaques convergentes, en collision ou en subduction, peuvent subir des changements de pression et de températures très importants. On trouve par exemple des roches basaltiques dans la croûte océanique, mais des roches métamorphiques et magmatiques dans la croûte continentale.
Granites
Le granite est un élément fortement représenté dans la croûte continentale. Contrairement à la croûte continentale qui est constituée de roches très variées, la croûte océanique a une composition plus homogène.
Bimodalité des Altitudes
La bimodalité des altitudes donne des informations sur les croûtes terrestres. On parle de bimodalité des altitudes, car il y a deux pics d'altitude sur la Terre. Ces pics différencient la croûte continentale et la croûte océanique.
Distribution Bimodale
La distribution des altitudes moyennes de la planète Terre présente deux pics, +100 m et -4 500 m, c'est une distribution bimodale. Cette distribution suppose l'existence de deux croûtes. Une distribution bimodale, en statistique, est une distribution présentant deux pics.
L'étude des reliefs positifs et négatifs de la Terre indique une distribution bimodale des altitudes moyennes. On observe deux pics d'altitude moyenne :
- +100 m : altitude moyenne des continents
- -4 500 m : profondeur moyenne des océans
Cela suggère qu'il existe deux croûtes de natures différentes, une croûte océanique plus dense et une croûte continentale moins dense.
Croûte Océanique : Elle mesure entre 7 et 10 kilomètres d'épaisseur. Elle est formée de basalte en couche supérieure et de gabbro en couche inférieure. La densité de la croûte océanique est d'environ 2,9. Le basalte est une roche volcanique avec des microlites (microcristaux), principalement composée de feldspath, plagioclase et pyroxène dans une importante matrice de verre. Le gabbro est une roche plutonique sombre, de texture grenue, principalement composée de feldspath, plagioclase, de pyroxène et d'olivine. Il a la même composition que le basalte, seule sa structure varie.
Croûte Continentale : Elle mesure entre 30 et 70 kilomètres d'épaisseur. On observe en surface trois grands types de roches : les roches sédimentaires, les roches magmatiques (volcaniques et plutoniques) et les roches métamorphiques. En surface des continents, il existe une mince couche (à l'échelle du globe) de roches sédimentaires et métamorphiques, mais cette croûte continentale est essentiellement formée de granite. Le granite est une roche plutonique, de texture grenue, formée essentiellement de quartz, feldspath et mica. La densité de la croûte continentale est d'environ 2,7.
Études Sismiques et Structure Interne de la Terre
Les études sismiques renseignent sur la structure interne de la Terre. Un séisme résulte de la libération brutale d'énergie lors de la rupture de roches soumises à des contraintes. Des ondes sismiques sont générées et se propagent dans toutes les directions. L'étude de ces ondes permet de comprendre la structure interne de la Terre.
L'étude des variations de vitesse des ondes sismiques permet la découverte de la LVZ qui est la discontinuité séparant la lithosphère de l'asthénosphère.
Les Séismes
Une rupture de roches soumises à des contraintes libère de l'énergie et provoque un séisme. Trois types d'ondes sismiques sont générées : les ondes R, les ondes P et les ondes S. Les mouvements tectoniques imposent des contraintes très importantes sur les roches de la croûte terrestre.
Contraintes : Les forces exercées sur les roches en conséquence des mouvements tectoniques ou du magmatisme. Lorsque ces contraintes s'accumulent de manière trop importante, les roches se brisent et des failles apparaissent, ou bien les roches se déplacent soudainement le long de failles existantes.
Faille : Une zone de fracture de l'écorce terrestre, sous l'influence de contraintes mécaniques. Ces mouvements brusques s'accompagnent de la libération de l'énergie accumulée dans les roches.
Un séisme est formé de trois types d'ondes :
- Les ondes R (de Rayleigh) et L (de Love), qui sont des ondes de surface, destructrices, mais très peu utilisées pour les études sismiques.
- Les ondes P, ou ondes premières, qui sont des ondes rapides, se propageant dans les milieux solides et liquides. Leur vitesse diminue quand la densité du milieu diminue.
- Les ondes S, ou ondes secondes, qui sont moins rapides et ne traversent que des milieux solides.
Étude des Ondes Sismiques
L'étude à la surface de la Terre de l'arrivée et du temps de propagation d'une ou plusieurs des ondes d'un séisme permet de comprendre la structure interne de la Terre, avec la découverte du Moho et la mise en évidence du manteau et du noyau. Ces informations ont permis l'établissement du modèle PREM, Preliminary Reference Earth Model.
Découverte du Moho : L'étude des phénomènes de réflexion et réfraction des ondes sismiques a permis la découverte d'une discontinuité séparant la croûte du manteau : le Moho. Quand le milieu change, donc quand l'onde sismique circule dans des roches différentes, elle est réfractée ou réfléchie, ce qui entraîne une modification de sa trajectoire. L'interface entre ces deux milieux est une discontinuité. En 1909, en étudiant des phénomènes de réflexion et de réfraction des ondes sismiques, Andrija Mohorovicic (1857-1936, géologue croate) découvre une discontinuité séparant la croûte du manteau : le Moho.
- Réflexion des ondes : Un phénomène physique au cours duquel les ondes (sismiques, sonores) rebondissent sur le support sur lequel elles se projettent.
- Réfraction des ondes : Un phénomène physique au cours duquel les ondes (sismiques, sonores) modifient leur trajet sous l'influence d'une différence de nature ou de composition du support qu'elles traversent. La déviation d'une onde passant d'un milieu à un autre se mesure par l'angle de réfraction.
L'étude des ondes sismiques d'un séisme permet l'identification de plusieurs croûtes terrestres.
Mise en Évidence du Manteau et du Noyau : L'étude des phénomènes de réfraction des ondes sismiques et de la zone d'ombre a permis la découverte des discontinuités séparant le manteau du noyau et le noyau externe et interne.
- Zone d'ombre : Une zone de la planète où l'on ne perçoit pas d'ondes sismiques suite à un séisme. En 1923, Beno Gutenberg (1889-1960, géologue et sismologue allemand) a mis en évidence la zone d'ombre, qui est une zone ne recevant aucune onde sismique. Elle se trouve entre 105° et 143° angulaire de l'épicentre. Il met ainsi en évidence une discontinuité située à 2 900 kilomètres de la surface qui est appelée la discontinuité de Gutenberg et qui marque la limite entre le manteau inférieur et le noyau.
La disparition des ondes S en dessous de cette discontinuité indique un milieu liquide : le noyau externe. Au centre se trouve la graine ou noyau interne, solide. La limite entre ces deux zones du noyau est la discontinuité de Lehmann, décrite en 1936 par Inge Lehmann (1888-1993, sismologue danoise).
Découverte de la Lithosphère et de l'Asthénosphère
L'étude des variations de vitesse des ondes sismiques permet la découverte de la LVZ qui est la discontinuité séparant la lithosphère de l'asthénosphère. L'étude des séismes au voisinage des fosses océaniques, contexte de subduction, permet de différencier le comportement d'une lithosphère cassante par rapport à une asthénosphère plus molle.
Lithosphère : La partie rigide du globe terrestre, constituée de la croûte et de la portion superficielle du manteau.
Asthénosphère : La portion ductile du manteau située sous la lithosphère. À une profondeur voisine de 100 kilomètres (mais cela varie selon l'endroit considéré), les ondes sismiques ralentissent fortement. C'est la Low Velocity Zone (= LVZ). Elle marque la limite entre une couche superficielle très rigide, la lithosphère, et une couche plus molle mais non liquide, dite ductile, l'asthénosphère.
La LVZ est une zone où la péridotite du manteau est en fusion partielle. Elle correspond à l'isotherme 1 300 °C. La comparaison des deux courbes dans les schémas ci-dessous indique que la lithosphère continentale est plus épaisse que la lithosphère océanique.
- Subduction : La plongée de la lithosphère océanique sous une lithosphère continentale ou une lithosphère océanique plus jeune (et moins dense).
On observe des séismes profonds inhabituels puisqu'en dessous de la LVZ, la péridotite mantellique est ductile. Elle se déforme sous l'effet des contraintes mais ne rompt pas.
- Péridotite : Une roche grenue caractéristique du manteau terrestre.
La tomographie sismique est une méthode qui utilise les variations de la vitesse des ondes sismiques provoquées par les variations de températures de la roche. Elle permet de visualiser la lithosphère froide qui plonge dans l'asthénosphère plus chaude.
Études Thermiques
Les études thermiques renseignent sur la dynamique du manteau et la tectonique des plaques. Elles reposent sur le gradient géothermique et les mécanismes de transfert d'énergie thermique. Ces études permettent de mettre en lumière des anomalies par rapport au modèle PREM.
Gradient Géothermique
La température interne de la Terre croît avec la profondeur : c'est le gradient géothermique. Le gradient géothermique interne présente des différences suivant les enveloppes internes de la Terre. Il donne des informations concernant les modes de transfert de l'énergie thermique.
Le gradient géothermique correspond à l'élévation de température en fonction d'une profondeur donnée (°C/km). Les mesures de température dans les mines et les forages profonds montrent que la température augmente de 3 °C tous les 100 mètres dans la croûte continentale. Ce gradient n'est pas aussi fort dans toutes les couches terrestres.
En revanche, l'augmentation de la température en fonction de la profondeur n'est pas régulière. Le gradient géothermique varie en fonction de la couche terrestre. Ces différences sont liées aux modes de transfert d'énergie thermique dans le sous-sol.
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