Croûte, manteau, lithosphère, asthénosphère : deux découpages de la Terre

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Deux découpages pour un même globe

Le rayon de la Terre mesure environ 6 370 km, alors que le forage le plus profond n'atteint qu'une douzaine de kilomètres. Pour connaître l'intérieur du globe, on combine l'étude des roches remontées en surface, des expériences en laboratoire et surtout l'analyse des ondes sismiques : leur vitesse change quand les matériaux traversés changent de nature ou d'état. Ces données permettent de découper la Terre de deux façons, qui répondent à deux questions différentes.

Découpage 1 : de quoi les couches sont-elles faites ?

Ce premier découpage repose sur la composition des roches.

• La croûte est la couche superficielle. La croûte océanique, épaisse d'environ 7 km, est formée de basalte et de gabbro. La croûte continentale, épaisse de 30 km en moyenne et jusqu'à 70 km sous les grandes chaînes de montagnes, est surtout formée de granite et de roches voisines.
• Le manteau s'étend jusqu'à environ 2 900 km de profondeur. Il est formé de péridotite, une roche riche en fer et en magnésium.
• Le noyau est métallique (fer et nickel) : liquide dans sa partie externe, solide dans sa partie interne.

La limite entre la croûte et le manteau s'appelle la discontinuité de Mohorovičić, ou Moho. On la repère par une augmentation brusque de la vitesse des ondes sismiques, car la roche change.

Découpage 2 : comment les couches se comportent-elles ?

Ce second découpage repose sur le comportement mécanique des roches, qui dépend surtout de leur température et de la pression.

• La lithosphère est l'enveloppe rigide externe. Elle comprend la croûte et la partie supérieure du manteau. Son épaisseur moyenne est d'une centaine de kilomètres, avec de grandes variations d'un endroit à l'autre. Froide, elle se casse sous les contraintes (failles, séismes) et elle est découpée en plaques.
• L'asthénosphère se trouve sous la lithosphère. Plus chaude, elle reste solide mais elle est déformable : elle s'écoule très lentement, de l'ordre de quelques centimètres par an, sans se casser. Les ondes sismiques y sont légèrement ralenties.

Les plaques lithosphériques se déplacent sur l'asthénosphère. Le passage de l'une à l'autre est progressif : on place conventionnellement la limite là où la température atteint environ 1 300 °C.

Exemple analysé

Sous un océan ancien, on trouve environ 7 km de croûte (basalte, gabbro) posés sur de la péridotite. Si la base de la lithosphère est à 100 km de profondeur, celle-ci contient 7 km de croûte et environ 93 km de manteau. À 90 km et à 110 km de profondeur, la roche est la même (péridotite) : on reste dans le manteau. Pourtant, la première profondeur appartient à la lithosphère, rigide, et la seconde à l'asthénosphère, déformable. La limite lithosphère-asthénosphère n'est donc pas un changement de roche, mais un changement de comportement lié à la température.

Un piège à éviter

La confusion des deux découpages est l'erreur la plus fréquente. Croûte et lithosphère ne sont pas synonymes : la lithosphère est plus épaisse et contient aussi du manteau. Manteau et asthénosphère ne sont pas synonymes non plus. Il ne faut pas se représenter l'asthénosphère comme un océan de magma : elle est solide. Une fusion partielle n'apparaît que localement, dans des conditions particulières, par exemple sous les dorsales ou en zone de subduction, où l'eau abaisse la température de fusion de la roche du manteau.

Vocabulaire

• Discontinuité : surface où les propriétés (vitesse des ondes) changent brusquement.
• Rigide : qui se casse plutôt que de s'écouler.
• Déformable : qui s'écoule lentement sans se rompre, tout en restant solide.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Un élève affirme : « La lithosphère, c'est la croûte, et l'asthénosphère est une mer de magma située juste en dessous. » Pour tester cette affirmation, vous disposez d'un profil simplifié sous un océan ancien et de relevés de terrain réalisés dans une région autrefois couverte par une calotte glaciaire. Vous devez déterminer ce que ces données indiquent sur la composition des roches, puis sur leur comportement, et corriger l'affirmation en justifiant chaque correction avec les documents. Les valeurs sont des estimations arrondies destinées à l'exercice : elles ne remplacent pas des mesures réelles.

Document 1 : profil sous un océan ancien

Données pédagogiques simplifiées. Par convention, la base de la lithosphère est placée là où la température atteint environ 1 300 °C.

Document 2 : compte rendu de terrain et de sismologie

Données pédagogiques simplifiées. Une région de hautes latitudes était recouverte, pendant la dernière glaciation, par une calotte de glace épaisse de plusieurs kilomètres. Sous ce poids, le sol s'était enfoncé. Depuis la fonte de la glace, des repères côtiers montrent que le sol remonte encore aujourd'hui d'environ 8 mm par an, de façon régulière. Par ailleurs, un réseau de stations sismiques a enregistré les ondes S d'un séisme lointain : elles ont été détectées après avoir traversé toutes les profondeurs de 0 à 250 km sous la région. Les ondes S ne se propagent pas dans un liquide. Enfin, les foyers des séismes locaux sont tous situés entre 5 et 40 km de profondeur ; aucun foyer n'a été localisé au-dessous de 100 km.

Exercice 1 : lire le profil sismique

1. Calculez la variation de vitesse des ondes P entre 6 km et 20 km de profondeur, puis entre 60 km et 150 km. Donnez le signe de chaque variation.
2. Relevez la nature de la roche aux profondeurs de 6, 20, 60 et 150 km.
3. Laquelle de ces deux variations peut s'expliquer par un changement de composition ? Laquelle ne le peut pas ? Justifiez avec la colonne des roches.
4. Entre quelles profondeurs du tableau se situe la limite croûte-manteau ? Donnez son nom et expliquez pourquoi on ne peut pas la placer plus précisément avec ce tableau.

Exercice 2 : calculer températures et vitesse de déformation

1. Calculez le gradient moyen de température (en °C par km) entre 20 et 60 km, puis entre 60 et 100 km. Comparez les deux valeurs.
2. Selon la convention du Document 1, à quelle profondeur se situe la base de la lithosphère ? Si la croûte mesure 7 km, calculez l'épaisseur de manteau comprise dans la lithosphère.
3. D'après le Document 2, de combien le sol remonte-t-il en 50 ans (en mm, puis en cm) ? Calculez la durée nécessaire pour une remontée de 20 m, en supposant la vitesse constante.
4. Indiquez une limite de ce calcul de durée.

Exercice 3 : confronter les documents et argumenter

1. Discutez la première partie de l'affirmation (« la lithosphère, c'est la croûte ») à l'aide du Document 1 (température, roche) et du Document 2 (profondeur des foyers).
2. Discutez la seconde partie (« l'asthénosphère est une mer de magma ») à l'aide de la détection des ondes S et de la roche indiquée dans le Document 1.
3. Expliquez comment la remontée du sol peut avoir lieu alors que le manteau est solide.
4. Rédigez en deux phrases une version corrigée de l'affirmation de l'élève, puis précisez ce que ces données ne permettent pas de conclure.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. Entre 6 et 20 km : 8,1 − 6,8 = +1,3 km/s, soit une augmentation d'environ 19 %. Entre 60 et 150 km : 7,9 − 8,2 = −0,3 km/s, soit une diminution d'environ 3,7 %.
2. À 6 km : basalte et gabbro. À 20, 60 et 150 km : péridotite.
3. La forte augmentation (+1,3 km/s) s'accompagne d'un changement de roche (basalte et gabbro, puis péridotite) : elle traduit un changement de composition. La légère baisse entre 60 et 150 km se produit dans la même roche, la péridotite : elle ne peut pas venir d'un changement de composition. Elle est compatible avec une roche plus chaude et plus déformable.
4. La limite se situe entre 6 et 20 km : c'est la discontinuité de Mohorovičić (Moho), limite croûte-manteau. Le tableau ne contient aucune mesure entre ces deux profondeurs, donc on ne peut pas la localiser plus finement.

Critères de réussite : deux calculs corrects avec signe et unité ; distinction explicite entre changement de roche et changement d'état ; Moho nommée et limite de précision justifiée.

Exercice 2 : correction

1. Entre 20 et 60 km : (950 − 500) / (60 − 20) = 450 / 40 = 11,25 °C/km. Entre 60 et 100 km : (1 300 − 950) / (100 − 60) = 350 / 40 = 8,75 °C/km. La température augmente moins vite en profondeur : le gradient diminue.
2. La température atteint 1 300 °C à 100 km : c'est la base de la lithosphère. Épaisseur de manteau dans la lithosphère : 100 − 7 = 93 km. La lithosphère contient donc surtout du manteau.
3. 8 mm/an × 50 ans = 400 mm = 40 cm. Pour 20 m = 20 000 mm : 20 000 / 8 = 2 500 ans.
4. Ce calcul suppose une vitesse constante, alors que le document indique seulement la vitesse actuelle. De plus, il s'agit d'une seule région et d'un modèle simplifié.

Critères de réussite : formule du gradient correcte avec unité ; conversion m en mm juste ; hypothèse de vitesse constante identifiée.

Exercice 3 : correction

1. À 20 et 60 km, la roche est de la péridotite, donc du manteau, et pourtant la température y reste inférieure à 1 300 °C. La lithosphère va jusqu'à 100 km, bien au-delà de la croûte (7 km environ). Les foyers sismiques, signe d'une roche qui se casse, vont jusqu'à 40 km et dépassent donc la croûte : la partie supérieure du manteau est rigide aussi. La lithosphère ne se limite pas à la croûte.
2. Les ondes S traversent toutes les profondeurs jusqu'à 250 km. Or elles ne se propagent pas dans un liquide : ces roches ne forment pas globalement un liquide. La roche reste de la péridotite, solide, avec seulement un léger ralentissement des ondes P (7,9 km/s à 150 km). L'asthénosphère n'est pas une mer de magma.
3. Le sol remonte de 8 mm par an : un mouvement très lent. La roche chaude de l'asthénosphère est solide, mais, soumise pendant des milliers d'années à une contrainte, elle s'écoule sans se casser. Cela s'oppose au comportement cassant de la lithosphère, qui produit des séismes. Le temps d'observation joue un rôle important.
4. Version corrigée : la lithosphère comprend la croûte et la partie supérieure rigide du manteau, jusqu'à environ 100 km ici ; l'asthénosphère, située dessous, est solide mais déformable. Limites : un seul profil simplifié et une seule région ne prouvent pas que les épaisseurs soient identiques partout sur Terre ; la détection des ondes S n'exclut pas une très faible proportion de roche fondue localement.

Critères de réussite : chaque affirmation est réfutée avec une donnée précise ; le mot solide est utilisé pour l'asthénosphère ; la conclusion est nuancée et non généralisée.