La machine thermique de la Terre

Travail réalisé par Nathalie Parquet et Jean Minier - Lycée Pablo Picasso Perpignan - (14-05-2008).

Problème : Pourquoi les plaques lithosphériques se déplacent-elles ? Il faut de l’énergie pour provoquer leur déplacement.
D’où peut-elle provenir ? De la chaleur interne de la Terre qui se dissipe.

Il y a bien de la chaleur qui se dissipe mais pas de façon uniforme. On observe qu’elle est plus importante sous les dorsales et plus faible au centre des plaques.

Sous Pb : Comment les transferts de chaleur peuvent-ils s’effectuer dans les roches ? Cela pourrait dépendre de l’état de la roche.

A. Dissipation de la chaleur dans le globe

Les roches peuvent être sous 3 états : solide, ductile et liquide (=magma).

1. Modélisation des deux mécanismes de dissipation de la chaleur

Vous disposez de :

• deux matériaux différents : granite et eau.
• de 2 thermomètres et d’un dispositif de chauffage.

Manipulation 1

• Chauffer un bêcher d’eau par le bas pendant 2 mn # et refroidir par le haut (avec des glaçons, pas obligatoire) + le marc de café
• Mesurer la T° en haut et en bas du bêcher sans toucher le fond avec la sonde toutes les minutes
• Traduire graphiquement la différence de T°entre les deux points du bêcher (= gradient thermique) au bout de deux minutes

Schéma du montage et résultats :

On a modélisé la convection.

Manipulation 2 :

On chauffe un morceau de lithosphère, du granite.

• Placer le bloc de granite sur le trépied (sans grille) ; chauffer 1 min puis mesurer la T° des 2 côtés toutes les 30 secondes.
• Tracer le gradient thermique pour le granite au bout d’1 min.

Schéma et résultats:

On a modélisé la conduction.
 
Question  : Des deux modes de dissipation modélisées quel est celui qui est le plus efficace ?

La convection est un mode de transfert de chaleur le plus efficace.

2. Localisation des transferts de chaleur dans le globe

Document : gradient géothermique de la Terre

 On observe deux zones où la température augmente très peu avec la profondeur :

•  Dans le manteau entre 100 et 2900 Km de profondeur
• Dans le noyau externe entre 2900 et 5100 Km de profondeur

La lithosphère présente un gradient géothermique beaucoup plus fort que le manteau et le noyau externe. La lithosphère est le siège d’une dissipation de la chaleur par conduction et non par convection. La lithosphère se comporte comme un solide (elle est rigide). Ce mécanisme ne permet pas de dissiper beaucoup d’énergie comparativement à la convection qui a lieu dans le manteau et dans le noyau externe (les roches sont de très mauvais conducteur de chaleur). Cette convection est possible grâce à la présence de roches ductiles dans le manteau et à celle de fer liquide dans le noyau externe. On a aussi conduction entre le noyau et le manteau.

Pour comprendre en quoi les mouvements de convection du manteau sont impliqués dans les mouvements de plaques, essayons de retrouver où se font les mouvements de matière dans le manteau : on recherche des zones d’ascendance de matière chaude et de chute de matière froide.

Comment retrouver des différences de T° ? _{^___>} avec les ondes sismiques.

B. Visualisation des mouvements de convection dans le manteau

Méthode  : tomographie sismique
Principe : on regarde le temps d’arrivée des ondes sismiques à une station et on le compare aux temps d’arrivée théorique (calculer avec la vitesse et la distance

Document

On observe des zones où la vitesse est ralentie (rouge) et des zones où la vitesse est accélérée (en bleu).

A quelle zone correspond les mouvements ascendants de matière chaude (et vice-versa) ?

Hypothèse généralement proposée par les élèves : si cela va plus vite, c’est plus chaud, donc les zones bleus sont les zones d’ascendance et les rouges, les zones de chute.

Test de l’hypothèse (qui est fausse) : Modélisation de la vitesse des ondes avec la température.

1. Mesurer la vitesse des ondes pour différentes températures de la barre.
2. Présenter les résultats dans un tableau.
3. Tracer avec le tableur, le graphe : Vitesse des ondes en fonction de la température.
4. Conclure.

Conclusion  : Représenter les mouvements de convection dans le manteau sur le document et retrouver leurs relations avec les mouvements des plaques lithosphériques.