Exercices: Structure et dynamique de la géosphère

La mine la plus profonde du monde atteint à peine $4\ \text{km}$ de profondeur, alors que le rayon de la Terre est d'environ $6\,370\ \text{km}$. Expliquer pourquoi presque tout ce que nous savons de l'intérieur de la Terre provient de méthodes indirectes, et donner un exemple de méthode directe et un exemple de méthode indirecte.

Classer les couches suivantes de la géosphère de la surface jusqu'au centre de la planète : graine, manteau, noyau externe, croûte. Indiquer ensuite laquelle occupe la plus grande partie du volume terrestre.

Expliquer avec ses propres mots ce qu'est la lithosphère, quelles couches de la géosphère la constituent et en quoi elle se distingue de la croûte.

Les ondes sismiques de type S ne traversent pas le noyau externe, alors que les ondes P le traversent, mais en ralentissant. Que nous apprend ce fait sur l'état physique du noyau externe ? Justifier la réponse.

Observer le schéma de l'intérieur de la Terre. Nommer les couches repérées par les numéros de 1 à 4 et citer une caractéristique de chacune (état physique ou composition).

Dans le manteau existent des courants de convection : la matière chaude monte et la matière froide descend. Expliquer l'origine de ces courants et leur lien avec le mouvement de la lithosphère.

Dans une station sismologique, on enregistre l'arrivée des ondes P à 10:14:20 et celle des ondes S à 10:14:49 (un retard de $\Delta t = 29\ \text{s}$). On sait que, dans cette région de la croûte, les ondes P se propagent à une vitesse moyenne $v_P = 8,0\ \text{km/s}$ et les ondes S à $v_S = 4,5\ \text{km/s}$.

1. a) Établir l'expression algébrique qui relie l'intervalle de temps $\Delta t$ à la distance à l'épicentre ($d$) et calculer à quelle distance exacte de la station se trouve l'épicentre (on considère la profondeur de l'hypocentre comme négligeable).
2. b) Un technicien affirme : « Comme nous connaissons la distance exacte, nous pouvons déjà situer l'épicentre sur la carte en traçant une ligne droite. » Réfuter son affirmation en expliquant quelle indétermination géométrique existe, et concevoir la méthode que doivent employer les sismologues (nombre minimal de stations et procédé graphique) pour localiser l'épicentre avec exactitude.

Lors d'une mission d'exploration sur une planète rocheuse de taille similaire à la Terre, un sismographe enregistre un séisme généré à $100\ \text{km}$ de profondeur. On constate qu'à partir de $2\ 900\ \text{km}$ de profondeur, la vitesse des ondes P subit une chute brutale de $13,7\ \text{km/s}$ à $8,1\ \text{km/s}$, et que les ondes S cessent complètement d'être détectées.

1. a) Interpréter les changements physiques (densité et état de la matière) qui se produisent à cette profondeur et nommer la discontinuité sismique terrestre analogue, en indiquant quelles couches elle sépare sur notre planète.
2. b) Prévoir quels types d'ondes enregistrerait une seconde station sismique située aux antipodes de la planète ($180^{\circ}$ par rapport au foyer sismique) et justifier pourquoi il existe une « zone d'ombre » sismique pour les ondes S.

Lors d'une prospection minière profonde, on enregistre une température de $15\ ^{\circ}\text{C}$ en surface et de $75\ ^{\circ}\text{C}$ à $2\ \text{km}$ de profondeur.

1. a) Calculer le gradient géothermique de cette zone en $^{\circ}\text{C}/100\ \text{m}$ et en $^{\circ}\text{C}/\text{km}$.
2. b) Si ce même gradient restait constant de façon linéaire jusqu'au centre de la Terre (rayon moyen : $6\ 371\ \text{km}$), quelle température théorique atteindrait-on dans le noyau ?
3. c) Sachant que la température réelle au centre du noyau est estimée entre $5\ 000\ ^{\circ}\text{C}$ et $6\ 000\ ^{\circ}\text{C}$, justifier pourquoi le gradient géothermique ne peut pas être linéaire dans tout l'intérieur de la Terre et interpréter quels mécanismes de transfert de chaleur (conduction dans la lithosphère et convection dans le manteau) expliquent ce comportement.