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Mouvements verticaux de la lithosphère et isostasie

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​Introduction :

Ce cours porte sur le domaine continental des mouvements lithosphériques.
La première partie dressera un rappel sur la structure interne de la Terre et le principe de propagation des ondes dans un milieu. L’épaisseur de la croûte continentale et les reliefs associés seront étudiés ensuite, ainsi que l’isostasie.

Rappels de la structure interne de la Terre et principe de propagation des ondes

Une onde se propage dans un milieu homogène à une vitesse constante. Si il y a une différence au niveau de la vitesse d’une onde, c’est qu’elle est passée d’un milieu 1 à un milieu 2 qui n’ont pas la même structure.

De même, la vitesse de l’onde est caractéristique de la nature de la roche traversée. L’étude sismique permet de caractériser les différentes couches de la planète.

Coupe de la Terre Coupe de la Terre

La Terre est composée de différentes couches, à l’extérieur il y a d’abord la croûte et le manteau qui sont séparés par le Moho.

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Définition

Moho :

L’appellation Moho est l’abréviation de « discontinuité de Mohoroviĉić », qui est la limite entre la croûte et le manteau supérieur.

Les couches suivantes sont le noyau externe et la graine.

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À retenir

L’étude de la planète à l’aide des ondes sismiques permet de mettre en évidence que la croûte et le manteau sont solides.

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À retenir

Les ondes primaires (ondes P), qui sont les plus rapides, se propagent dans les milieux solides et liquides. Par contre, les ondes secondaires (ondes S), qui sont plus lentes se propagent uniquement dans les milieux solides.

Le noyau externe est liquide alors que la graine est solide.

Schéma des différentes couches de la Terre Schéma des différentes couches de la Terre

Le schéma montre que le manteau peut être divisé en deux parties : l’asthénosphère et le manteau supérieur.

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Définition

​Lithosphère :

La lithosphère correspond à l’ensemble croûte/manteau supérieur. La lithosphère est donc traversée par le Moho.

Épaisseur de la croûte continentale et reliefs continentaux

Les ondes sont déviées et changent de vitesse lorsqu’elles rencontrent un milieu différent. L’endroit où une onde est réfléchie ou réfractée correspond à la limite entre deux milieux qui ont des compositions différentes.
Il est donc possible de calculer la profondeur des différentes parties de la Terre.

De plus, grâce aux ondes sismiques, les scientifiques ont fait une découverte étonnante :

Schéma du Moho Schéma du Moho

Sous les océans, le Moho est à une profondeur d’environ 10 km alors que sur les continents il se situe à environ 30 km. Cette profondeur n’est pas pour autant constante, car le Moho peut se situer à une distance de 70 km sous les montagnes.

On a aussi remarqué en Scandinavie que la lithosphère se soulève suite à la fonte d’une calotte glaciaire entre -15000 ans et – 7000 ans.

La notion d’isostasie

Les mouvements lithosphériques attestent de l’existence d’un équilibre isostatique.

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Définition

Isostasie :

​L’isostasie caractérise le fait que la lithosphère est en équilibre sur l’asthénosphère.

Le phénomène d’isostasie fut découvert pour la première fois au XVIIIe siècle par le français Pierre Bouguer lors de son expédition au Pérou. Il remarqua que l’attraction gravitationnelle des Andes était plus importante que leur masse pouvait le laisser croire.

Deux hypothèses furent proposées pour rendre compte de ces mesures. La première, formulée en 1855 par Bidell Airy et la seconde en 1859 par John Henry Pratt :

Schéma des modèles de AIRY et PRATT Schéma des modèles de AIRY et PRATT

  • Selon Airy, les montagnes, à la manière d’un iceberg flottant sur l’eau, ont en profondeur des racines de densité plus faible que celle du manteau dans lequel elles s’enfoncent ; ces racines compensent ainsi en partie l’attraction causée par les reliefs ;
  • Selon Pratt, les montagnes sont composées de matériaux plus légers que ceux des plaines ou de la croûte océanique, ce qui explique le déficit d’attraction.

En mesurant la densité de la croûte à différents endroits dont les montagnes, on trouve une densité constante qui est d’environ 2,8.

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Rappel

La croûte océanique a une densité de 2,9 tandis que la croûte continentale a une densité de 2,7.

Le modèle de Pratt ne peut donc pas expliquer le phénomène d’isostasie sur les continents.

Il est donc possible d’admettre l’existence d’une racine crustale qui est un épaississement de la croûte continentale à l’aplomb des montagnes.

  • Du fait de la racine crustale, le point de gravité est beaucoup plus bas sous la surface de la croûte. Le fils de plomb n’est donc pas vraiment dévié de la verticale comme l’avait observé Bouguer.
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Exemple

Le cas pratique suivant permet de calculer la profondeur du Moho sous une montagne.

Calcul de la profondeur du Moho Calcul de la profondeur du Moho

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À retenir

Le phénomène d’isostasie implique que deux colonnes de roches soient en équilibre lorsqu’elles exercent la même pression sur le manteau sous-jacent. Il faut donc que leurs masses soient égales.

On sait que la masse de la colonne 1 est égale à la densité de la croûte continentale que multiplie sa hauteur plus la densité du manteau que multiplie sa hauteur. Soit M1=dcc×H+dm×RM1 = dcc \times H + dm \times R

La masse de la colonne 2 quant à elle est égale à la densité de la croûte continentale que multiplie la hauteur de la colonne. Or on sait que la hauteur de la colonne correspond à la hauteur de la montagne plus la largeur de la croûte continentale initiale plus la profondeur de la racine crustale. Soit M2=dcc×(h+H+R)M2 = dcc \times (h+H+R)

  • La notion d’isostasie nous permet donc de dire que :
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À retenir

M1=M2M1 = M2 soit dcc×H+dm×R=dcc×(h+H+R)dcc \times H + dm \times R = dcc \times (h+H+R) en simplifiant on obtient R=(h×dcc)/(dmdcc)R=(h\times dcc) / (dm-dcc)

On a donc : R=(4×2.8)/(3.32,8)R=(4 \times 2.8) / (3.3-2,8) d’où R=22,4 kmR= 22,4\ \text{km}

Dans cet exemple, on a une racine crustale d’une profondeur de 22,4 km soit une croûte continentale d’une épaisseur de 56,4 km.

Conclusion :

L’isostasie est une théorie proposée en géophysique pour expliquer des anomalies du champ de gravitation à la surface de la Terre. C’est en fait une simple application du principe d’Archimède d’équilibre isostatique. La lithosphère est en équilibre sur l’asthénosphère.

Cet équilibre peut être expliqué soit par des différences de densité des roches, soit par des différences d’épaisseur des couches. C’est le modèle d’Airy, c’est-à-dire celui qui propose une différence d’épaisseur des couches qui a été vérifiée au niveau continental.
Il s’agit de la racine crustale qui est présente à l’aplomb des montagnes. Le Moho n’est donc pas situé à une profondeur constante à la surface du globe.