samedi 25 octobre 2014

L'idée de dérive des continents et ses critiques (1ère S)

Comment on se représentait la Terre autrefois
Dès l'Antiquité, Eratosthène calcule le rayon terrestre estimé à 6400 km environ. En revanche, la connaissance de l'intérieur du globe va rester embryonnaire pratiquement jusqu'au début du XXème siècle.
Les connaissances ont été résumé par le jésuite Athanasius Kircher au XVIIème siècle. Les volcans sont animés par l'activité d'un feu central et par une circulation des vents à l'intérieur du globe.



C'est une conception proche qu'on retrouve chez Jules Vernes (1828-1905) dans son Voyage au centre de la Terre (1864). Les volcans sont plus le sujet de belles aquarelles que d'un travail scientifique.

Quelques aquarelles d'une éruption du Vésuve à la fin du XVIIIème siècle




Il faudra attendre 1902 et le travail d'Alfred Lacroix sur l'éruption de la Montagne Pélée à la Martinique, pour que la volcanologie commence timidement son existence.
C'est l'autrichien Eduard Suess, le plus grand géologue de son époque, qui fixe les idées vers 1900. La Terre était au début une boule de matière en fusion qui se refroidit progressivement en créant à sa surface une croûte.
Au cours du temps, par deshydratation, la terre perd du volume et la croûte se plisse comme la peau d'une pomme, créant des creux occupés par les océans et des zones élevées, les chaînes de montagne.


Tous les géologues dans les années 1900-1920 sont donc convaincus que les continents terrestres n'ont jamais subi de déplacement. Ils soutiennent donc un modèle fixiste.

Les apports d'Alfred Wegener (1880-1930)
Alfred Wegener est un scientifique allemand qui le premier imagine une mobilité des continents. Il appelle ce mécanisme "dérive des continents". Il affirme que durant le Carbonifère et le Permien, les continents étaient réunis sous la forme d'un super-continent unique : la Pangée (étymologiquement "toute la Terre", en grec).
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Grâce à un certain nombre d'indices sur lesquels nous allons revenir, Wegener reconstitue la Pangée à partir des différents continents actuels.


Les arguments de Wegener
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La reconstitution de la Pangée par Wegener se fonde sur plusieurs arguments.



— la complémentarité des lignes de côtes et des massifs montagneux anciens. C'est particulièrement visible dans le cas de l'Amérique du sud et de l'Afrique.


— la reconstitution de la paléo-calotte polaire sud datant de la Pangée, rend bien compte des traces fossiles actuelles trouvées sur plusieurs continents.



— Plusieurs fossiles comme la fougère Glossopteris et les vertébrés Lystrosaurus, Cynognathus et Mesosaurus se retrouvent sur plusieurs continents. Cette présence est donc difficile à expliquer dans le cas d'un modèle fixiste de la Terre.


— le dernier argument de Wegener est plus complexe. On rappelle qu'à l'époque, les géologues pensaient que les continents et les fonds océaniques étaient de même nature, l'ensemble découlant d'une contraction terrestre.


Wegener fait remarquer alors que la répartition des altitudes et des profondeurs devrait donc suivre une courbe de Gauss comme la suivante :


Cette courbe est dite unimodale puisqu'elle ne présente qu'un maximum. Or lorsqu'on établit une courbe de la répartition des altitudes et des profondeurs réelles, on obtient la figure suivante :


La courbe réelle n'est donc pas unimodale mais bimodale :


Pour Wegener, une seule explication est possible, les fonds océaniques et les continents ne sont pas de même nature géologique. En tant que glaciologue, il s'est intéressé à la dérive des icebergs sur l'océan. il suppose alors que les continents peuvent dériver sur le matériau du fond océanique qui présenterait des caractéristiques d'élasticité et de déformabilité permettant le déplacement latéral des continents.


Les progrès de la sismologie au début du XXème siècle, une arme contre la dérive des continents
Ce n'est qu'à la fin du XIXème siècle, que le premier sismographe précis a été construit en Allemagne. C'est à Potsdam, en 1889, que le premier enregistrement sismographique d'un séisme au Japon a été enregistré.


A partir de ces premiers enregistrements, les géologues ont établi un modèle sismologique de la Terre. Le plus connu est celui de Knott en 1908.


On constate que ce modèle, de très peu antérieure à la théorie de Wegener, envisage une terre homogène.

Analyse de quelques données
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Un séisme est une fracture qui apparaît dans la croûte terrestre. En fait, une zone de la croûte subit des contraintes. Lorsque les contraintes sont supérieures à la résistance du matériau, le séisme a lieu. Le point de rupture est le foyer ou hypocentre. L'épicentre est le point de la surface le plus près du foyer.


Des ondes sismiques se développent depuis le foyer. Il existe deux grands types d'ondes : les ondes de surface qui se déplacent le long de la courbure de la Terre et sont les responsables des destruction et les ondes de profondeur qui se déplacent dans le globe et grâce auxquelles on a pu découvrir la structure interne du globe.


On différencie ainsi les ondes primaires (P), les plus rapides et les ondes secondaires (S) à la vitesse plus faible.
L'étude de la propagation des ondes P dans le globe a permis de découvrir une particularité : il existe une zone ou les ondes P sont réfractées comme des ondes lumineuses lorsqu'elles passent d'un milieu à un indice n à un milieu à indice n'.
On peut étudier la propagation des ondes sismiques grâce au logiciel Sismolog.


La présence de cette réfraction génère une zone d'ombre, c'est à dire une zone où le premier train d'onde P n'est pas enregistré par les sismographes. On montre ainsi que la Terre n'a pas une structure homogène contrairement à ce qu'on croyait vers 1900 mais qu'elle présente au moins deux zones de natures différentes (le manteau et le noyau) séparées par une discontinuité.
On sait que les ondes S ne se propagent pas dans les matériaux de nature liquide. Or une analyse de la propagation des ondes S dans le globe donne le résultat suivant :


On constate que les ondes S ne se propagent pas dans le noyau. Cela signifie que le noyau est de nature liquide et le manteau de nature solide.
Or, Wegener, dans sa dérive des continents, estime que ceux-ci dérivent comme des radeaux sur le manteau. Si le manteau est solide, l'hypothèse ne peut pas être retenues et la dérive des continents doit être rejetée.
On peut constater que les ondes ne se déplacent pas d'une façon rectiligne contrairement à ce qui se passe pour des rayons lumineux dans l'eau. Cette courbure est due à la variation de densité du matériau. Plus on s'enfonce dans le globe et plus la pression est élevée, donc plus la densité est élevée.
En utilisant l'angle d'apparition de la zone d'ombre (104°), on peut calculer la profondeur de la discontinuité mise en évidence par la réflexion des ondes.


On sait que cos 52° = 0,61. Le rayon du noyau est donc : 6300 x 0,61 = 3840 km. La discontinuité se trouve donc à 6300 -3840 = 2460 km. On sait, par d'autres méthodes, que la discontinuité est située à 2900 km de profondeur. Il y a donc une différence de 440 km qu'il faut expliquer. Dans notre calcul, nous ne tenons pas compte de la variation de vitesse des ondes avec la profondeur. Si on pouvait apporter cette correction, on obtiendrait un résultat plus proche de 2900 km. Cette discontinuité s'appelle la discontinuité de Gutenberg-Wiechert du nom de deux géologues allemands.

Mise en évidence d'une autre discontinuité
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Lorsqu'on étudie l'enregistrement de certains séismes, on constate l'arrivée de deux trains d'ondes P.


C'est le géologue croate Andrija Mohorovicic qui a compris que le second train d'ondes correspondait à des ondes P qui rebondissaient sur une discontinuité qui ne peut pas être la discontinuité de Gutenberg-Wiechert, compte-tenu du faible temps qui sépare les deux trains. 



Cette discontinuité qui sépare la croûte terrestre du manteau a été appelée discontinuité de Mohorovicic ou plus simplement Moho.
Pour évaluer sa profondeur on peut utiliser la méthode de sismique réflexion qui consiste à faire exploser une petite charge à la surface du globe afin de déterminer les zones de plus faibles résistances.
Les données obtenues sont les suivantes :


On considère que le rebond des ondes sur le Moho ne change pas leur vitesse.
Calculons la vitesse des ondes P avec le résultat de la station A :
20 / 3,5 = 5,7 km par seconde.
A partir de la station C, on observe l'arrivée de deux trains d'ondes, un qui met 6,8 s pour arriver et un qui met 12,7 s. Sachant que les deux trains d'ondes ont la même vitesse, on peut considérer que le premier est le train direct et le second, celui qui est réfléchi sur le Moho.
Construisons un schéma :


Dès que le schéma est construit la solution apparaît comme évidente. La droite LC représente la trajet des ondes directes, soit 40 Km. Le trajet LMC correspond au trajet du second train d'ondes. La vitesse des ondes P est 5,7 km par seconde et ce train d'ondes réfléchi met 12,7 s pour parcourir la distance. Il parcourt donc : 12,7 x 5,7 = 72,4 km. Comme la vitesse des ondes ne change pas LM = MC soit, 72,4 : 2 = 36,2 km.
Comme LM' = M'C, on peut affirmer que LM' = 20 km. Le triangle LM'M est un triangle rectangle dont le petit côté de l'angle droit fait 20 km et l'hypoténuse 36,2 km. MM' représentant la profondeur du Moho, on le calcul facilement en appliquant le théorème de Pythagore. Tout calcul fait, on constate que la profondeur du Moho est d'environ 30 km dans la zone d'enregistrement.
On peut donc établir un modèle provisoire de la structure du globe à partir de nos observations :


Etude de la croûte terrestre
L'analyse de la croûte terrestre peut être faite par plusieurs méthodes :
— la vitesse des ondes sismiques 
— la nature des roches qui la constitue
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Etude de la vitesse des ondes sismiques


On obtient les profils sismographiques suivants :


Chaque variation brusque de vitesse correspond au passage d'un matériau à un autre. On peut donc en conclure que la croûte continentale est très différente de la croûte océanique. La croûte continentale est plus épaisse et à peu près homogène alors que la croûte océanique est très différenciée. La vitesse de la couche la plus profonde est la même dans le domaine continental que dans le domaine océanique. C'est donc le même matériau qui est présent, me matériau du manteau.
On constate que plus les ondes se propagent profondément et plus leur vitesse est élevée. Cela signifie que les roches sont réparties par densité croissante.

Mesure de la densité des roches


Les valeurs peuvent varier considérablement selon l'échantillon et la dextérité du manipulateur ! Les valeurs classiquement données sont les suivantes : 
— granite : 2,8
— gabbro : 3,1
— basalte : 3
— péridotite : 3,4
On peut donc compléter le schéma des croûtes continentale et océanique avec les différentes roches :


Les roches de la croûte et du manteau
Le granite est une roche de couleur claire (de gris à rose), présentant des minéraux bien apparents. Il fait partie des roches à texture grenue.


Le gabbro est une roche de couleur gris sombre présentant des minéraux bien apparents. Il fait partie des roches à texture grenue.


Le basalte est une roche de couleur sombre qui ne présente pas de cristaux apparents (sauf exception). Il fait partie des roches à texture microlitique.


La péridotite est une roche à texture grenue de couleur à dominante verte due à la présence d'un minéral appelé l'olivine.


Sur les  quatre roches présentées ici, trois sont de texture grenue et une de texture microlithique.
Ces quatre roches ont pour origine le magma terrestre. Ce sont des roches magmatiques.
Lorsque le magma refroidit en surface, la vitesse de refroidissement est rapide et donc le temps de cristallisation. Les roches volcaniques ou éruptives sont donc microlithiques.
Les roches grenues sont entièrement cristallisées. Le temps de refroidissement a donc été beaucoup plus long. On appelle ces roches, des roches plutoniques. Elles ne refroidissent jamais en surface. 
Toutes les roches magmatiques sont formés à partir d'une structure chimique appelée silicate :


Cette unité de base peut donner naissance à des structures variées, donc à des minéraux variés.


Silicate isolé : l'olivine


Chaîne simple : le pyroxène


Chaîne double : l'amphibole


Feuillet : le mica


Tridimensionnel : le quartz


Comparons maintenant la composition chimique des croûtes océaniques et continentales et la composition du manteau :


Si le taux d'oxygène est à peu près le même dans les trois structures, on constate que le deuxième élément par ordre d'importance est le silicium. Ensuite, il y a divergence antre les croûtes et le manteau (la péridotite). Le manteau est beaucoup plus riche que les croûtes en magnésium. C'est pour cela qu'au début du XXème siècle, le géologue Eduard Suess a baptisé SIMA (silice-magnésium), le manteau.
En revanche, le manteau est beaucoup moins riche que les croûtes terrestres en aluminium. Suess baptise donc SIAL (silice-alumine), la croûte terrestre (à l'époque, il n'y a pas de différenciation entre croûte continentale et croute océanique).

Les arguments principaux des opposants au modèle de Wegener
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Les arguments anti-Wegener se répartissent en deux catégories. 
Les premiers, et les plus valides, font référence aux mécanismes de dérive continentale proposés par Wegener, c'est à dire la force des marées et la force de rotation de la terre (force d'Eotvös) couplées à la force centrifuge.


Les arguments des opposants :


Ces arguments sont fortement étayés par les travaux de sismologie qui a aboutit à l'idée d'un SIMA solide, incapable donc d'assurer une mobilité latérale des continents. De ce fait, les géologues classiques considèrent que la croûte océanique est la même que la croûte continentale (SIAL). Nous avons vu que ce n'est pas le cas et que le modèle de Wegener est plus proche de la réalité, même s'il estime que la fond océanique est constituée directement par le SIMA, ce qui est inexact.


En revanche les arguments anti-Wegener concernant la paléontologie ou la géologie ne tiennent pas la route, notamment l'hypothèse des passerelles continentales qui auraient joint les continents, expliquant la similitude des faunes et des flores.



L'hypothèse de Wegener est donc rejetée catégoriquement et abandonnée vers 1915. Il faudra attendre le début des années 60 pour que la mobilité continentale s'invite à nouveau en géologie et deviennent le mécanisme majeur du fonctionnement de notre globe. 


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