GEacuteOLOGIELrsquoESSENTIEL EN FICHES

MEacuteMO VISUEL DE

Yves Lagabrielle Directeur de recherche CNRS lrsquoUMR 6118 Geacuteosciences-Rennes

universiteacute de Rennes 1

Reneacute Maury Professeur eacutemeacuterite agrave lrsquouniversiteacute de Bretagne occidentale

Maurice Renard Professeur eacutemeacuterite agrave lrsquouniversiteacute Pierre et Marie Curie (UPMC

Sorbonne Universiteacutes)

Livre 1indb 1 25072014 104652

copy Dunod Paris 2013ISBN 978-2-10-058499-4

Illustrations de couverture Haut droite copy Arnaud Lathuille-Fotoliacom

Haut gauche bas droite et gauche Yves Lagabrielle

Uniformisation des illustrations et mise en page des fiches Bernadette Coleacuteno

Livre 1indb 2 25072014 104652

III

Table des matiegraveres

Avant-propos XIComment utiliser cet ouvrage XII

Partie 1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Fiche 1 Le systegraveme solaire 2Fiche 2 Le Soleil 3Fiche 3 Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres 4Fiche 4 Les meacuteteacuteorites 5Fiche 5 Crategraveres drsquoimpact et impactites 6Fiche 6 La geacuteologie de Mars 7Fiche 7 La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 8Fiche 8 Les magmatismes archeacuteens 9Fiche 9 Les cratons et la croissance continentale 10Fiche 10 Les modegraveles de croissance des continents 11

Partie 2 Hydrosphegravere et atmosphegravere terrestres

Fiche 11 Lrsquohydrosphegravere et les proprieacuteteacutes de lrsquoeau 14Fiche 12 Lrsquoenveloppe gazeuse lrsquoatmosphegravere terrestre 15Fiche 13 Le bilan thermique de la Terre 16Fiche 14 Les deacuteseacutequilibres thermiques reacutegionaux 17Fiche 15 Circulations atmospheacuteriques et zonation climatique terrestre 18Fiche 16 Un dispositif climatique reacutegional la mousson 19Fiche 17 Les saisons et leur dureacutee 20Fiche 18 Proprieacuteteacutes et composition de lrsquoeau de mer origine de la saliniteacute 21Fiche 19 Les circulations oceacuteaniques (1) spirale drsquoEkman et upwellings 22Fiche 20 Les circulations oceacuteaniques (2) courants de surface et tapis roulant 23Fiche 21 El Nintildeo lrsquooscillation australe 24Fiche 22 La reacutepartition des tempeacuteratures dans lrsquooceacutean 25Fiche 23 La reacutepartition des saliniteacutes dans lrsquooceacutean 26Fiche 24 Les gaz dissous dans lrsquoeau de mer et la ZOM 27Fiche 25 Circulation thermo-haline circulation haline 28

Livre 1indb 3 25072014 104652

IV

Table des matiegraveresFiche 26 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambiguuml 30Fiche 28 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 29 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 30 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 31 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 32 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 33 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 34 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 35 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 38 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 39 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 40 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43

Partie 3 Seacutedimentologie

Fiche 41 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 42 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 43 Les argiles 48Fiche 44 Alteacuterations et climats 49Fiche 45 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 46 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 47 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 48 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 49 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 50 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 51 Classification granulomegravetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 52 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 53 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 54 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59Fiche 55 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 56 La preacutecipitation des carbonates en mileu marin 61Fiche 57 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62

Livre 1indb 4 25072014 104652

V

Table des matiegraveresFiche 58 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Duham 64Fiche 60 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 61 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 62 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 63 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 64 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 65 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 66 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine Peacutelagique 71Fiche 67 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 68 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 69 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 70 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 71 La diagenegravese 76Fiche 72 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 73 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 74 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 75 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 76 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 77 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82

Partie 4 Stratigraphie

Fiche 78 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 79 La radiochronologie 85Fiche 80 La chimiostratigraphie 86Fiche 81 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 82 La cyclostratigraphie 88Fiche 83 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 84 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 85 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 87 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 88 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95Fiche 90 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme 96Fiche 91 Lrsquoorigine de la vie 97

Livre 1indb 5 25072014 104653

VI

Table des matiegraveres

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135

Livre 1indb 6 25072014 104653

VII

Table des matiegraveres

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172

Livre 1indb 7 25072014 104653

VIII

Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204

Livre 1indb 8 25072014 104653

IX

Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

Livre 1indb 9 25072014 104653

X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

Livre 1indb 10 25072014 104653

XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

Livre 1indb 11 25072014 104653

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

copy Dunod Paris 2013ISBN 978-2-10-058499-4

Illustrations de couverture Haut droite copy Arnaud Lathuille-Fotoliacom

Haut gauche bas droite et gauche Yves Lagabrielle

Uniformisation des illustrations et mise en page des fiches Bernadette Coleacuteno

Livre 1indb 2 25072014 104652

III

Table des matiegraveres

Avant-propos XIComment utiliser cet ouvrage XII

Partie 1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Fiche 1 Le systegraveme solaire 2Fiche 2 Le Soleil 3Fiche 3 Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres 4Fiche 4 Les meacuteteacuteorites 5Fiche 5 Crategraveres drsquoimpact et impactites 6Fiche 6 La geacuteologie de Mars 7Fiche 7 La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 8Fiche 8 Les magmatismes archeacuteens 9Fiche 9 Les cratons et la croissance continentale 10Fiche 10 Les modegraveles de croissance des continents 11

Partie 2 Hydrosphegravere et atmosphegravere terrestres

Fiche 11 Lrsquohydrosphegravere et les proprieacuteteacutes de lrsquoeau 14Fiche 12 Lrsquoenveloppe gazeuse lrsquoatmosphegravere terrestre 15Fiche 13 Le bilan thermique de la Terre 16Fiche 14 Les deacuteseacutequilibres thermiques reacutegionaux 17Fiche 15 Circulations atmospheacuteriques et zonation climatique terrestre 18Fiche 16 Un dispositif climatique reacutegional la mousson 19Fiche 17 Les saisons et leur dureacutee 20Fiche 18 Proprieacuteteacutes et composition de lrsquoeau de mer origine de la saliniteacute 21Fiche 19 Les circulations oceacuteaniques (1) spirale drsquoEkman et upwellings 22Fiche 20 Les circulations oceacuteaniques (2) courants de surface et tapis roulant 23Fiche 21 El Nintildeo lrsquooscillation australe 24Fiche 22 La reacutepartition des tempeacuteratures dans lrsquooceacutean 25Fiche 23 La reacutepartition des saliniteacutes dans lrsquooceacutean 26Fiche 24 Les gaz dissous dans lrsquoeau de mer et la ZOM 27Fiche 25 Circulation thermo-haline circulation haline 28

Livre 1indb 3 25072014 104652

IV

Table des matiegraveresFiche 26 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambiguuml 30Fiche 28 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 29 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 30 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 31 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 32 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 33 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 34 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 35 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 38 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 39 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 40 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43

Partie 3 Seacutedimentologie

Fiche 41 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 42 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 43 Les argiles 48Fiche 44 Alteacuterations et climats 49Fiche 45 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 46 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 47 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 48 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 49 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 50 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 51 Classification granulomegravetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 52 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 53 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 54 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59Fiche 55 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 56 La preacutecipitation des carbonates en mileu marin 61Fiche 57 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62

Livre 1indb 4 25072014 104652

V

Table des matiegraveresFiche 58 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Duham 64Fiche 60 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 61 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 62 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 63 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 64 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 65 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 66 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine Peacutelagique 71Fiche 67 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 68 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 69 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 70 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 71 La diagenegravese 76Fiche 72 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 73 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 74 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 75 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 76 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 77 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82

Partie 4 Stratigraphie

Fiche 78 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 79 La radiochronologie 85Fiche 80 La chimiostratigraphie 86Fiche 81 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 82 La cyclostratigraphie 88Fiche 83 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 84 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 85 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 87 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 88 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95Fiche 90 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme 96Fiche 91 Lrsquoorigine de la vie 97

Livre 1indb 5 25072014 104653

VI

Table des matiegraveres

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135

Livre 1indb 6 25072014 104653

VII

Table des matiegraveres

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172

Livre 1indb 7 25072014 104653

VIII

Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204

Livre 1indb 8 25072014 104653

IX

Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

Livre 1indb 9 25072014 104653

X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

Livre 1indb 10 25072014 104653

XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

Livre 1indb 11 25072014 104653

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

III

Table des matiegraveres

Avant-propos XIComment utiliser cet ouvrage XII

Partie 1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Fiche 1 Le systegraveme solaire 2Fiche 2 Le Soleil 3Fiche 3 Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres 4Fiche 4 Les meacuteteacuteorites 5Fiche 5 Crategraveres drsquoimpact et impactites 6Fiche 6 La geacuteologie de Mars 7Fiche 7 La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 8Fiche 8 Les magmatismes archeacuteens 9Fiche 9 Les cratons et la croissance continentale 10Fiche 10 Les modegraveles de croissance des continents 11

Partie 2 Hydrosphegravere et atmosphegravere terrestres

Fiche 11 Lrsquohydrosphegravere et les proprieacuteteacutes de lrsquoeau 14Fiche 12 Lrsquoenveloppe gazeuse lrsquoatmosphegravere terrestre 15Fiche 13 Le bilan thermique de la Terre 16Fiche 14 Les deacuteseacutequilibres thermiques reacutegionaux 17Fiche 15 Circulations atmospheacuteriques et zonation climatique terrestre 18Fiche 16 Un dispositif climatique reacutegional la mousson 19Fiche 17 Les saisons et leur dureacutee 20Fiche 18 Proprieacuteteacutes et composition de lrsquoeau de mer origine de la saliniteacute 21Fiche 19 Les circulations oceacuteaniques (1) spirale drsquoEkman et upwellings 22Fiche 20 Les circulations oceacuteaniques (2) courants de surface et tapis roulant 23Fiche 21 El Nintildeo lrsquooscillation australe 24Fiche 22 La reacutepartition des tempeacuteratures dans lrsquooceacutean 25Fiche 23 La reacutepartition des saliniteacutes dans lrsquooceacutean 26Fiche 24 Les gaz dissous dans lrsquoeau de mer et la ZOM 27Fiche 25 Circulation thermo-haline circulation haline 28

Livre 1indb 3 25072014 104652

IV

Table des matiegraveresFiche 26 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambiguuml 30Fiche 28 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 29 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 30 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 31 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 32 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 33 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 34 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 35 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 38 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 39 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 40 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43

Partie 3 Seacutedimentologie

Fiche 41 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 42 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 43 Les argiles 48Fiche 44 Alteacuterations et climats 49Fiche 45 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 46 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 47 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 48 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 49 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 50 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 51 Classification granulomegravetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 52 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 53 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 54 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59Fiche 55 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 56 La preacutecipitation des carbonates en mileu marin 61Fiche 57 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62

Livre 1indb 4 25072014 104652

V

Table des matiegraveresFiche 58 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Duham 64Fiche 60 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 61 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 62 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 63 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 64 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 65 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 66 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine Peacutelagique 71Fiche 67 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 68 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 69 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 70 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 71 La diagenegravese 76Fiche 72 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 73 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 74 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 75 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 76 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 77 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82

Partie 4 Stratigraphie

Fiche 78 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 79 La radiochronologie 85Fiche 80 La chimiostratigraphie 86Fiche 81 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 82 La cyclostratigraphie 88Fiche 83 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 84 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 85 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 87 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 88 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95Fiche 90 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme 96Fiche 91 Lrsquoorigine de la vie 97

Livre 1indb 5 25072014 104653

VI

Table des matiegraveres

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135

Livre 1indb 6 25072014 104653

VII

Table des matiegraveres

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172

Livre 1indb 7 25072014 104653

VIII

Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204

Livre 1indb 8 25072014 104653

IX

Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

Livre 1indb 9 25072014 104653

X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

Livre 1indb 10 25072014 104653

XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

Livre 1indb 11 25072014 104653

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

IV

Table des matiegraveresFiche 26 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambiguuml 30Fiche 28 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 29 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 30 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 31 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 32 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 33 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 34 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 35 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 38 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 39 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 40 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43

Partie 3 Seacutedimentologie

Fiche 41 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 42 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 43 Les argiles 48Fiche 44 Alteacuterations et climats 49Fiche 45 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 46 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 47 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 48 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 49 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 50 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 51 Classification granulomegravetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 52 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 53 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 54 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59Fiche 55 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 56 La preacutecipitation des carbonates en mileu marin 61Fiche 57 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62

Livre 1indb 4 25072014 104652

V

Table des matiegraveresFiche 58 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Duham 64Fiche 60 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 61 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 62 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 63 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 64 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 65 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 66 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine Peacutelagique 71Fiche 67 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 68 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 69 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 70 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 71 La diagenegravese 76Fiche 72 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 73 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 74 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 75 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 76 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 77 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82

Partie 4 Stratigraphie

Fiche 78 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 79 La radiochronologie 85Fiche 80 La chimiostratigraphie 86Fiche 81 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 82 La cyclostratigraphie 88Fiche 83 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 84 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 85 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 87 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 88 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95Fiche 90 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme 96Fiche 91 Lrsquoorigine de la vie 97

Livre 1indb 5 25072014 104653

VI

Table des matiegraveres

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135

Livre 1indb 6 25072014 104653

VII

Table des matiegraveres

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172

Livre 1indb 7 25072014 104653

VIII

Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204

Livre 1indb 8 25072014 104653

IX

Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

Livre 1indb 9 25072014 104653

X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

Livre 1indb 10 25072014 104653

XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

Livre 1indb 11 25072014 104653

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

V

Table des matiegraveresFiche 58 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Duham 64Fiche 60 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 61 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 62 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 63 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 64 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 65 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 66 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine Peacutelagique 71Fiche 67 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 68 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 69 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 70 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 71 La diagenegravese 76Fiche 72 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 73 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 74 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 75 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 76 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 77 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82

Partie 4 Stratigraphie

Fiche 78 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 79 La radiochronologie 85Fiche 80 La chimiostratigraphie 86Fiche 81 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 82 La cyclostratigraphie 88Fiche 83 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 84 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 85 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 87 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 88 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95Fiche 90 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme 96Fiche 91 Lrsquoorigine de la vie 97

Livre 1indb 5 25072014 104653

VI

Table des matiegraveres

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135

Livre 1indb 6 25072014 104653

VII

Table des matiegraveres

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172

Livre 1indb 7 25072014 104653

VIII

Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204

Livre 1indb 8 25072014 104653

IX

Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

Livre 1indb 9 25072014 104653

X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

Livre 1indb 10 25072014 104653

XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

Livre 1indb 11 25072014 104653

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

VI

Table des matiegraveres

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 92 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 93 Les formes de la Terre 101Fiche 94 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 95 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 96 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 97 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 98 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 99 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 100 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 101 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 102 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 103 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 104 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 105 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 106 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 107 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 108 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 109 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 110 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 111 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 112 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 113 Lrsquoisostasie 121Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 115 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 116 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 117 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 118 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 119 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 120 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 121 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 122 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 123 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 124 Principe de la tectonique des plaques 132Fiche 125 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 126 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 127 Les satellites et la geacuteodynamique 135

Livre 1indb 6 25072014 104653

VII

Table des matiegraveres

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172

Livre 1indb 7 25072014 104653

VIII

Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204

Livre 1indb 8 25072014 104653

IX

Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

Livre 1indb 9 25072014 104653

X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

Livre 1indb 10 25072014 104653

XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

Livre 1indb 11 25072014 104653

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

VII

Table des matiegraveres

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 128 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 129 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 130 Tectonique souple les plis 140Fiche 131 Les plissements signification dynamique 141Fiche 132 Tectonique cassante les failles 142Fiche 133 Schistositeacute et foliation 143Fiche 134 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 135 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 136 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 137 Les nappes de charriage 147Fiche 138 Les rifts continentaux 148Fiche 139 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 140 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 141 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 142 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 143 Les Alpes occidentales 153Fiche 144 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 145 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 146 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 147 Le modeleacute des paysages 157Fiche 148 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 149 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 150 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 151 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 152 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 153 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 154 Genegravese des marges passives 166Fiche 155 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167Fiche 156 Les marges actives 168Fiche 157 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 158 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 159 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 160 Les dorsales rapides 172

Livre 1indb 7 25072014 104653

VIII

Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204

Livre 1indb 8 25072014 104653

IX

Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

Livre 1indb 9 25072014 104653

X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

Livre 1indb 10 25072014 104653

XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

Livre 1indb 11 25072014 104653

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

VIII

Table des matiegraveresFiche 161 Les dorsales lentes 173Fiche 162 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 163 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 164 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 165 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 166 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 167 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 168 Classification structurale des silicates 182Fiche 169 Les principaux silicates 183Fiche 170 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 171 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 172 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 173 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 174 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 175 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 176 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 177 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 178 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 179 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 180 Les roches du manteau 194Fiche 181 Les basaltes 195Fiche 182 Les andeacutesites 196Fiche 183 Les granitoiumldes 197

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 184 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 185 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 186 Le volcanisme sous-marin profond 202Fiche 187 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 188 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204

Livre 1indb 8 25072014 104653

IX

Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

Livre 1indb 9 25072014 104653

X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

Livre 1indb 10 25072014 104653

XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

Livre 1indb 11 25072014 104653

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

IX

Table des matiegraveresFiche 189 Les nueacutees ardentes 205Fiche 190 Les grands types de volcans 206Fiche 191 Les volcans boucliers 207Fiche 192 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 193 Les volcans du Massif Central 209Fiche 194 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 195 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 196 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 197 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 198 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 199 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 200 La composition chimique du manteau 216Fiche 201 La fusion partielle du manteau 217Fiche 202 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 203 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 204 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 205 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 206 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 207 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 208 La contamination crustale 224Fiche 209 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 210 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 211 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 212 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 213 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 214 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 215 Les arcs volcaniques 231Fiche 216 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 217 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 218 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 219 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 220 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 221 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 222 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 223 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 224 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

Livre 1indb 9 25072014 104653

X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

Livre 1indb 10 25072014 104653

XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

Livre 1indb 11 25072014 104653

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 225 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 226 Les risques volcaniques 243Fiche 227 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 228 Le peacutetrole 245Fiche 229 Le charbon 246Fiche 230 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

Livre 1indb 10 25072014 104653

XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

Livre 1indb 11 25072014 104653

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Le livre reacutesulte drsquoune longue compliciteacute entre les coauteurs neacutee alors qursquoils eacutetaient tous trois membres du Jury de lrsquoAgreacutegation de Sciences de la Vie et de la Terre Chaque coauteur a pu au fil des eacutepreuves orales estimer le niveau drsquoexigence requis dans des disciplines qui ne lui eacutetaient pas forceacutement familiegraveres Il reacutesulte de ces interactions entre des coauteurs eacutevoluant dans des domaines scientifiques diffeacuterents la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

Livre 1indb 11 25072014 104653

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

fi che

La T

err

e u

ne p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odifi

eacute drsquo

apregrave

s H M

artin

F A

lbar

egravede

et a

l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

230 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

Un index complet

Livre 1indb 12 25072014 104654

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

Livre 1indb 1 25072014 104656

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

2

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (fiche 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeffondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeffectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et diffeacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeffondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (fiche 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

Livre 1indb 2 25072014 104656

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

3

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature superficielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend - la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000 degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons - la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacuterature croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) - la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des fluctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la fluctuation du rayonnement solaire

Livre 1indb 3 25072014 104656

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

4

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

diffeacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

Eacuteleacutements atmophiles

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enfin les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis diffeacuterenciation des diffeacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites fiche 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans diffeacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

Livre 1indb 4 25072014 104656

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

5

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une diffeacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (fiche 202)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les figures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classification simplifieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non diffeacuterencieacutees meacuteteacuteorites diffeacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

Livre 1indb 5 25072014 104657

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

6

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (fiche 87) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentification des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (fiche 173) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

5

Livre 1indb 6 25072014 104657

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

7

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacutecifiques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves fluide et de la formation de valleacutees fluviales ramifieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine fluviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplifieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modifieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

Livre 1indb 7 25072014 104658

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

8

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est fixeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun flux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le flux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un effet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense final

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ifieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

nductioono

Flux de chaleur

-2

Flux de chaleur

-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

Livre 1indb 8 25072014 104658

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

9

La T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramafiques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les diffeacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au profit des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ifieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

Livre 1indb 9 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659

10

ficheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers

Bilan de la croissance continentale actuelle Il est eacutequilibreacute drsquoapregraves les estimations reacutecentes 31 km3an drsquoaddition (en rouge entre parenthegraveses) 32 km3an de disparition dans le manteau (en violet entre crochets) Il faut donc rechercher dans le passeacute les origines de la croissance des continents

Scheacutema simplifieacute de lrsquoeacutevolution du manteau source ultime de la croucircte continentale

Lrsquoimportant appauvrissement du manteau supeacuterieur archeacuteen srsquoest atteacutenueacute en raison du recyclage profond par la subduction mais le manteau primitif a progressivement disparu

Orthogneiss icartien du Treacutegor (2 Ga)

Ce sont les plus vieilles roches de la France meacutetropolitaine deacuteformeacutees au Cadomien (610 Ma)

Carte simplifieacutee des cratons preacutecambriens

Le cœur des continents est composeacute par les noyaux archeacuteens des cratons qui ne repreacutesentent cependant que 7 de la croucircte continentale Ils sont entoureacutes de plus vastes terrains proteacuterozoiumlques auxquels se sont accreacuteteacutees par la suite les chaicircnes caleacutedo-niennes hercyniennes et al-pines (non individualiseacutees) Lrsquoensemble du scheacutema suggegravere un maximum de croissance anteacuterieur agrave 2 Ga (Proteacute-rozoiumlque moyen) avant que le reacutegime laquo eacutequilibreacute raquo de la tectonique des plaques mo-derne ne se mette en place

marge activeen retrait

chaicircnede collision

marge passive

arriegravere-arc

pointchaud seacutediments

ride

sous-placage mafique

magmasanatectiques

racine lithospheacuteriquedeacutelamineacutee

panache

(01)(25)

[25][07]

(02) (02)

modifieacute drsquoapregraves Hawkesworth et al 2010

ARCHEacuteEN

ACTUEL

manteau primitif

manteau supeacuterieur tregraves appauvrimanteau supeacuterieur

appauvri

670 km 670 km

1 700 km

modifieacute drsquoapregraves Foley et al 2003

80

70

60

40

20

0

-20

-40

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -120 -140

Archeacuteen Proteacuterozoiumlque infeacuterieur

Proteacuterozoiumlque moyen-supeacuterieur

Chaicircnes proteacuterozoiumlques supeacuterieures

modifieacute drsquoapregraves Artemieva et Mooney 2001

manteauenrichi

Les cratons et la croissance continentale9

Livre 1indb 10 25072014 104659