La Terre est structurée en couches concentriques : croûte, manteau, noyau. Ces couches ne sont pas des milieux homogènes. Le manteau en particulier présente des hétérogénéités. Celles-ci ne portent pas sur la composition des roches (il s'agit de péridotites) mais de variations de températures.
À l'aide des documents, expliquer comment ces hétérogénéités thermiques s'expliquent dans le cadre de la théorie de la tectonique des plaques.
Document de référence : Une vision d'ensemble de la tectonique des plaques
© Wikimedia Commons
Le principe de la tomographie sismique
La tomographie sismique est une méthode d'étude de la structure profonde de la Terre par l'intermédiaire de la mesure de la vitesse des ondes sismiques. La vitesse moyenne des ondes sismiques étant établie, il s'agit de déterminer localement si la vitesse mesurée en un point est supérieure ou inférieure à cette vitesse moyenne.
- L'existence d'une vitesse plus grande que la moyenne (anomalie positive) signifie que le milieu traversé par les ondes en ce point est plus dense et/ou plus rigide que la moyenne. Il est également plus froid.
- Inversement, si la vitesse mesurée est plus faible que la moyenne (anomalie négative), cela signifie que le milieu est moins dense ou moins rigide que la moyenne et qu'il est donc plus chaud.
Une représentation graphique est alors faite, les vitesses mesurées dans une zone précise sont présentées sous la forme de variations de couleurs, allant du bleu (milieu plus froid, vitesses des ondes plus importantes) au rouge (milieu plus chaud, vitesses plus faibles).
Résultats de la tomographie sismique au niveau de la côte ouest sud-américaine (coupe ouest/est)
D'après logiciel « tomographie sismique v2 », de P. Cosentino
Résultats de la tomographie sismique au niveau de l'océan Atlantique nord (coupe nord-ouest/sud-est)
D'après logiciel « tomographie sismique v2 », de P. Cosentino
Quel phénomène le repère « 2 » du document de référence montre-t-il ?
Le repère « 2 » du document de référence montre un phénomène de divergence, au niveau d'une dorsale océanique.
Quel phénomène peut être observé au niveau du repère « 1 » du document de référence ?
Le repère « 1 » du document de référence montre un phénomène de convergence au niveau d'une zone de subduction.
Quel phénomène est mis en évidence par le document 3 ?
Une zone « bleue », donc froide, s'enfonce de l'ouest vers l'est sous le continent américain.
Quel nom peut être donné au phénomène mis en évidence par le document 3 ?
Le plongement de la plaque Pacifique sous l'Amérique du Sud est une subduction.
Quel phénomène est mis en évidence par le document 4 ?
Une importante « bulle » rouge, donc de matériel chaud, remonte depuis le manteau au milieu de l'Atlantique.
Quel nom peut être donné au phénomène mis en évidence par le document 4 ?
La montée de matériel mantellique chaud au milieu de l'océan Atlantique correspond à l'activité d'une dorsale.
Quelles correspondances peuvent être établies entre le document de référence et les documents 3 et 4 ?
Le document 3 montre un phénomène de subduction, ce qui correspond au repère « 1 » du document de référence. Le document 4 montre l'activité d'une dorsale océanique, ce qui correspond au repère « 2 » du document de référence.
L'étude du manteau terrestre et de ses hétérogénéités thermiques peut apporter des renseignements sur la dynamique de ce manteau. En effet, les différences de températures observées par la tomographie sismique peuvent signaler des mouvements de convection à l'intérieur du manteau. Ces mouvements de convection correspondent à des mouvements de matière (les péridotites du manteau), mises en mouvement par des différences de densité, elle-mêmes liées à des différences de température.
La densité des péridotites chaudes est plus faible que celle des péridotites froides. Les péridotites chaudes sont alors animées d'un mouvement ascendant. Lors de ce mouvement, elles perdent une partie de leur chaleur et, étant plus froides, leur densité augmente et elles plongent. Les plaques lithosphériques subissent alors des phénomènes de convergence ou de divergence, en suivant ces phénomènes de convection mantellique.
Par l'étude des variations de vitesses, liées à la température des matériaux, la tomographie sismique permet de mettre en évidence des parties froides ou chaudes de la croûte et du manteau terrestre. Ainsi, dans le document 2, il est possible de voir une plaque froide (en bleu ; anomalie de vitesse positive) plonger de l'ouest vers l'est sous le continent sud-américain. La mise en relation avec le document de référence permet d'affirmer qu'il s'agit d'une zone de convergence et, plus particulièrement, d'un phénomène de subduction, dans lequel une plaque océanique froide (la plaque Pacifique, ici) plonge sous une masse continentale (l'Amérique du Sud), en suivant le plan de Benioff.
Un forage qui serait fait à l'aplomb de la fosse de cette zone de subduction, montrerait, en profondeur, des températures plus basses que la normale. Mais il est également possible de voir, sous le continent sud-américain, à l'aplomb de la zone volcanique, une zone de matériel plus chaud, liée à un magmatisme de subduction. La déshydratation de la plaque plongeante entraîne la fusion des péridotites du manteau sus-jacent. Le magma formé s'élève alors, sous l'effet d'une différence de densité, et ce magma est responsable de la présence de matériel chaud proche de la surface.
Dans le document 3, une montée de matériel chaud (en rouge ; anomalie de vitesse négative) en provenance du manteau est visible au centre de l'Atlantique. Là encore, la mise en relation avec le document de référence, permet de comprendre qu'il s'agit d'une montée de péridotites s'effectuant au niveau d'une zone de divergence, c'est-à-dire d'une dorsale (la dorsale médio-atlantique ici). Le manteau terrestre présente une certaine homogénéité dans sa composition (il est formé de péridotites). Mais une grande hétérogénéité existe en ce qui concerne les températures au sein de ces péridotites mantelliques. Ces variations de température sont liées à la dynamique des plaques lithosphériques et il est possible, par l'étude d'images de tomographie sismique, de reconstituer les contextes géodynamiques de la zone étudiée.
D'autres types d'anomalies existent, en dehors des dorsales et des zones de subduction (points chauds, zones d'amincissement de la croûte), ce qui permet de localiser des sites intéressants dans le cadre de l'exploitation géothermique.
Bilan d'ensemble
PM