V VIDYALAYA · Soutien scolaire
SVT1reLa dynamique interne de la TerreExercices + corrigé

Structure du globe terrestre — Exercices

Ondes sismiques, discontinuités, lithosphère et asthénosphère. Corrigé en fin de fiche.
⏱ ~25 min✎ Calculatrice autorisée
1Identifier les enveloppes/ 4 pts
Associe chaque description à la bonne enveloppe parmi : croûte continentale, croûte océanique, manteau, noyau externe, graine.
  1. Cette enveloppe est liquide et composée principalement de fer-nickel ; les ondes S ne la traversent pas.
  2. D'une épaisseur de 5 à 10 km, constituée de basalte, avec une densité d'environ $3{,}0 \text{ g/cm}^3$.
  3. Solide et ductile, formée de péridotite, elle représente environ 82 % du volume du globe.
  4. Solide, en fer-nickel, délimitée en surface par la discontinuité de Lehmann à ~5 100 km de profondeur.
2Exploiter un sismogramme/ 4 pts
Une station sismique enregistre les ondes P à $t_P = 0$ s (origine locale) et les ondes S avec un retard $\Delta t = t_S - t_P = 48$ s. Les vitesses moyennes sont $V_P = 8$ km/s et $V_S = 5$ km/s.
  1. Pourquoi les ondes P arrivent-elles avant les ondes S ?
  2. En posant $d = V_P \cdot t_P = V_S \cdot t_S$, exprime $d$ en fonction de $V_P$, $V_S$ et $\Delta t$ uniquement (éliminer $t_P$).
  3. Calcule la distance $d$ à l'épicentre pour $\Delta t = 48$ s.
  4. Que peut-on dire des ondes S si la station était située à plus de 103° d'angle épicentral ?
3Zone d'ombre et discontinuité de Gutenberg/ 3 pts
On observe qu'entre 103° et 143° d'angle épicentral, les stations ne reçoivent pas d'ondes P directes après un séisme. Ce phénomène est la zone d'ombre.
  1. Pourquoi les ondes P sont-elles fortement déviées à ~2 900 km de profondeur ?
  2. Pourquoi les ondes S sont-elles totalement absentes au-delà de 103° (et pas seulement dans la zone d'ombre) ?
  3. Que révèle l'existence de cette zone d'ombre sur l'état physique du noyau externe ?
4Lithosphère et asthénosphère/ 3 pts
Réponds aux questions suivantes en justifiant ta réponse.
  1. La lithosphère continentale a une épaisseur d'environ 100 km et la croûte continentale d'environ 35 km. Quelle est l'épaisseur de la partie mantellique de cette lithosphère ?
  2. Pourquoi dit-on que les plaques lithosphériques « glissent » sur l'asthénosphère ?
  3. Un élève affirme : « Le manteau est liquide puisqu'il peut se déformer lentement. » Identifie et corrige l'erreur.
5Problème — Lire un graphe vitesse / profondeur/ 6 pts
Un graphe montre les variations de vitesse des ondes P avec la profondeur. On lit : à 30 km, saut de 6,0 km/s à 8,0 km/s ; à 2 900 km, chute de 13,5 km/s à 8,0 km/s ; à 5 100 km, hausse de 8,0 km/s à 10,4 km/s. Les ondes S disparaissent à 2 900 km et réapparaissent à 5 100 km.
  1. Nomme la discontinuité à 30 km et les deux couches qu'elle sépare.
  2. Nomme la discontinuité à 2 900 km. Qu'indique la chute brutale de vitesse des ondes P ?
  3. Que peut-on déduire sur l'état physique du noyau externe (2 900–5 100 km) et de la graine (au-delà de 5 100 km) à partir du comportement des ondes S ?
  4. Calcule le temps mis par une onde P pour traverser le noyau externe à la vitesse moyenne $\overline{V}_P = 10$ km/s. Exprime le résultat en minutes et secondes.
Corrigé détaillé
1Identifier les enveloppes
a) \(\text{Liquide, fer-nickel, ondes S absentes} \Rightarrow\) \(\text{Noyau externe}\)
b) \(\text{5–10 km, basalte, } \rho \approx 3{,}0 \text{ g/cm}^3 \Rightarrow\) \(\text{Croûte océanique}\)
c) \(\text{Solide, ductile, péridotite, 82 \% du volume} \Rightarrow\) \(\text{Manteau}\)
d) \(\text{Solide, fer-nickel, discontinuité de Lehmann (5 100 km)} \Rightarrow\) \(\text{Graine (noyau interne)}\)
2Exploiter un sismogramme
a) \(V_P = 8 \text{ km/s} \gt V_S = 5 \text{ km/s}\) \(\text{Les ondes P sont plus rapides que les ondes S : elles parcourent la même distance en moins de temps et arrivent donc en premier.}\)
b) \(d = V_P t_P \Rightarrow t_P = \dfrac{d}{V_P} \quad;\quad d = V_S(t_P + \Delta t) = V_S\!\left(\dfrac{d}{V_P} + \Delta t\right) \Rightarrow d\!\left(1 - \dfrac{V_S}{V_P}\right) = V_S\,\Delta t\) \(d = \dfrac{V_P\, V_S\, \Delta t}{V_P - V_S}\)
c) \(d = \dfrac{8 \times 5 \times 48}{8 - 5} = \dfrac{1\,920}{3} =\) \(d = 640 \text{ km}\)
d) \(\text{Au-delà de 103°, tout trajet direct traverse le noyau externe (liquide).}\) \(\text{Les ondes S sont totalement absentes car elles ne se propagent pas dans les liquides.}\)
3Zone d'ombre et discontinuité de Gutenberg
a) \(\text{À 2 900 km : passage manteau solide} \to \text{noyau externe liquide.}\) \(\text{Le changement brutal de milieu (état et densité) provoque une réfraction forte des ondes P, qui sont déviées vers l'intérieur du globe et n'atteignent plus la zone 103°–143°.}\)
b) \(\text{Les ondes S ne se propagent pas dans les liquides.}\) \(\text{Tout trajet dépassant 103° passe nécessairement par le noyau externe liquide : les ondes S y sont arrêtées et aucune n'atteint ces stations.}\)
c) \(\text{Déviation des ondes P + disparition des ondes S \`a 2 900 km}\) \(\text{Le noyau externe est à l'état liquide (incapable de transmettre les ondes de cisaillement).}\)
4Lithosphère et asthénosphère
a) \(e_{\text{manteau lithosphérique}} = 100 - 35 =\) \(65 \text{ km}\)
b) \(\text{L'asthénosphère est partiellement fondue (~1 \% de fusion) et ductile.}\) \(\text{Sa très faible viscosité à l'échelle géologique permet aux plaques rigides de glisser lentement sur elle sous l'effet des contraintes thermiques et gravitationnelles.}\)
c) \(\text{Un matériau peut fluer (se déformer lentement) sans être liquide.}\) \(\text{Le manteau est solide mais ductile : il se déforme à l'échelle de millions d'années. La preuve est que les ondes S le traversent, ce qui est impossible dans un liquide.}\)
5Problème — Lire un graphe vitesse / profondeur
a) \(\text{Saut à 30 km : } V_P\colon 6{,}0 \to 8{,}0 \text{ km/s}\) \(\text{Discontinuité de Mohorovičić (Moho) — sépare la croûte continentale du manteau.}\)
b) \(\text{Chute à 2 900 km : } V_P\colon 13{,}5 \to 8{,}0 \text{ km/s}\) \(\text{Discontinuité de Gutenberg. La chute indique le passage d'un milieu solide dense (manteau) à un milieu liquide moins rigide (noyau externe) : la vitesse des ondes P diminue car le module d'élasticité chute.}\)
c) \(\text{Ondes S absentes entre 2 900 et 5 100 km} \Rightarrow \text{liquide} \;\;;\;\; \text{ondes S présentes au-delà de 5 100 km} \Rightarrow \text{solide}\) \(\text{Le noyau externe (2 900–5 100 km) est liquide. La graine (5 100–6 371 km) est solide.}\)
d) \(\Delta e = 5\,100 - 2\,900 = 2\,200 \text{ km} \quad;\quad t = \dfrac{2\,200}{10} = 220 \text{ s}\) \(t = 220 \text{ s} = 3 \text{ min } 40 \text{ s}\)