Structure et composition de la géosphère

Citer deux méthodes directes d'étude de la géosphère et expliquer pourquoi, même avec les forages les plus profonds, nous ne connaissons directement qu'une fraction infime du rayon terrestre.

Classer ces méthodes d'étude de l'intérieur de la Terre en méthodes directes ou indirectes et justifier : un forage profond, l'enregistrement des ondes sismiques, l'analyse de xénolites remontés par un volcan et l'étude des météorites.

Le forage de Kola (Russie) a atteint environ $12\ \text{km}$ de profondeur, le record de forage. Calculer quel pourcentage du rayon terrestre ($6\,370\ \text{km}$) représente cette profondeur et conclure pourquoi la connaissance de l'intérieur de la planète dépend de méthodes indirectes.

Expliquer en quoi les ondes sismiques P et S diffèrent (type de mouvement et milieux traversés) et comment leurs zones d'ombre ont permis de déduire l'existence et l'état du noyau terrestre.

Qu'est-ce qu'une discontinuité sismique ? Indiquer quelles couches séparent les discontinuités de Mohorovičić et de Gutenberg et à quelles profondeurs approximatives elles se situent.

Une onde sismique P se propage à $8\ \text{km/s}$ depuis un foyer situé à $600\ \text{km}$ de profondeur. Calculer le temps qu'elle met pour arriver à la station située à la verticale de l'épicentre et expliquer comment, en mesurant les temps d'arrivée dans de nombreuses stations, les sismologues localisent l'hypocentre.

Nommer les couches de la géosphère de l'extérieur vers le centre de la planète et indiquer l'état physique (solide, fluide) de chacune.

Comparer la croûte continentale et la croûte océanique d'après leur épaisseur, leur composition et leur densité, et relier ces différences à leur comportement lorsque deux plaques entrent en collision.

1. a) Citer les quatre éléments chimiques les plus abondants de la croûte terrestre.
2. b) Expliquer pourquoi les minéraux silicatés dominent dans les roches de la surface.

Comparer la composition chimique dominante de la croûte (silicates riches en aluminium), du manteau (silicates riches en magnésium, comme l'olivine) et du noyau (fer et nickel), et la relier à la différenciation d'une planète jeune et en fusion : quels matériaux ont coulé et lesquels ont flotté ?

Différencier croûte, lithosphère et asthénosphère : indiquer quel critère définit chaque limite (composition ou comportement mécanique) et quelle couche contient laquelle.

Le schéma représente en coupe les couches concentriques de la géosphère. a) Nommer les couches repérées par les numéros 1 à 4. b) Indiquer la profondeur approximative manquante (« ? ») et la discontinuité située à cette profondeur. c) Préciser l'état physique des couches 3 et 4 et la preuve qui le démontre.

Lors d'un débat sur la géodynamique interne, un élève affirme : « La discontinuité de Mohorovičić est le plan où la lithosphère se décolle et glisse sur l'asthénosphère. De plus, comme la croûte océanique est silicatée et moins dense que les péridotites du manteau, il est impossible qu'une plaque lithosphérique puisse s'enfoncer spontanément dans le manteau lors de la subduction ».

Identifier les erreurs géologiques de cette affirmation et les réfuter en répondant aux questions suivantes :

1. a) Différencier précisément la nature de la limite croûte-manteau et celle de la limite lithosphère-asthénosphère, en indiquant quelles couches compositionnelles constituent une plaque lithosphérique océanique mature.
2. b) Résoudre le paradoxe de la flottabilité : justifier pourquoi une plaque lithosphérique océanique dans son ensemble devient bien plus dense que l'asthénosphère sous-jacente et finit par subducter spontanément malgré la présence de la croûte océanique.
3. c) Justifier pourquoi les péridotites du manteau lithosphérique se comportent comme un solide fragile et rigide alors que les péridotites de l'asthénosphère, chimiquement identiques, se comportent de façon ductile, en analysant la relation entre le gradient géothermique et la courbe du solidus.

Expliquer ce qu'est le gradient géothermique, de combien la température augmente en profondeur dans les premiers kilomètres (environ $30\ \text{°C/km}$ en valeur moyenne) et quelle conséquence cela a pour les mines profondes.

Expliquer le principe d'isostasie à l'aide de l'analogie des icebergs, et justifier pourquoi les hautes chaînes de montagnes ont des « racines » crustales profondes et ce qui se passe lorsque l'érosion les amincit.

Le noyau externe est liquide et le noyau interne, encore plus chaud, est solide. Expliquer ce paradoxe apparent en faisant appel à la pression, et justifier quel phénomène planétaire essentiel (le champ magnétique) est généré dans le noyau externe en mouvement.

Une sonde d'exploration géophysique installe un réseau de sismomètres sur une planète rocheuse récemment découverte. Après un grand impact météoritique à son pôle nord ($0^\circ$), les sismographes enregistrent :

• Des ondes P directes entre $0^\circ$ et $105^\circ$ de distance angulaire.

• Une zone d'ombre totale (sans ondes P ni S directes) entre $105^\circ$ et $142^\circ$.

• Entre $142^\circ$ et les antipodes ($180^\circ$), des ondes P sont de nouveau enregistrées, mais elles arrivent avec un retard notable et aucune onde S directe n'est enregistrée.

1. a) Interpréter ces enregistrements en appliquant les lois de propagation et de réfraction des ondes sismiques pour déduire l'existence du noyau, son état physique et sa vitesse de propagation relative par rapport au manteau.
2. b) Prévoir quelles nouvelles phases sismiques directes on s'attendrait à enregistrer dans la zone antipodale ($142^\circ$-$180^\circ$) si, avec le refroidissement progressif de la planète, un noyau interne solide commençait à se former et à croître.