Chapitre 6 — La sismologie et la structure interne du globe · Topic 1 : Séismes et structure interne du globe · Leçon 1.3
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- définir la lithosphère et l’asthénosphère en termes de comportement mécanique ;
- distinguer un comportement cassant (lithosphère) d’un comportement ductile (asthénosphère) ;
- expliquer comment les séismes permettent de délimiter la lithosphère ;
- comparer les épaisseurs de la lithosphère océanique et continentale ;
- construire un argument scientifique à partir de la distribution en profondeur des foyers sismiques.
🧭 Plan de la leçon
- Lithosphère et asthénosphère : définitions mécaniques
- Comportement cassant vs comportement ductile
- Épaisseurs comparées : lithosphère océanique et continentale
- Les séismes comme marqueurs de la lithosphère : le plan de Wadati-Benioff
- Argument scientifique : délimiter la lithosphère par les foyers sismiques
1. Lithosphère et asthénosphère : définitions mécaniques
La structure interne de la Terre peut être décrite de deux façons complémentaires : par sa composition chimique (croûte, manteau, noyau — vision pétrologique) ou par son comportement mécanique (vision rhéologique). La lithosphère et l’asthénosphère sont deux unités mécaniques, non chimiques.
Lithosphère (du grec lithos = pierre) : enveloppe rigide et froide de la Terre, constituée de la croûte (continentale ou océanique) et de la partie supérieure du manteau. Elle se comporte de façon cassante sur des échelles de temps courtes (milliers à millions d’années). C’est elle qui est découpée en plaques tectoniques.
Asthénosphère (du grec asthenos = sans force) : couche sous-jacente du manteau supérieur, chaude et partiellement fondue (~1-5 % de fusion). Elle se comporte de façon ductile (plastique) sur des échelles de temps longues : elle peut se déformer sans se casser.
La lithosphère comprend la croûte et le manteau lithosphérique (partie froide et rigide du manteau). La lithosphère est donc plus épaisse que la croûte seule. Par exemple, sous un continent, la croûte mesure ~35 km mais la lithosphère peut atteindre 100-250 km, incluant donc 65-215 km de manteau lithosphérique.
2. Comportement cassant vs comportement ductile
| Propriété | Lithosphère (cassante) | Asthénosphère (ductile) |
|---|---|---|
| Comportement sous contrainte | Se casse brutalement → séismes | Se déforme lentement et en continu → pas de séismes |
| Température | Froide (< ~1 300 °C) | Chaude (~1 300-1 600 °C) |
| État des roches | Solide rigide | Solide ductile (+ 1-5 % de liquide) |
| Vitesse des ondes S | Élevée (rigidité élevée) | Plus faible (zone de basse vitesse) |
| Analogie | Un morceau de verre (se brise) | Du miel chaud (se déforme lentement) |
3. Épaisseurs comparées : lithosphère océanique et continentale
L’épaisseur de la lithosphère dépend de son âge et de sa composition :
Lithosphère océanique : très mince au niveau des dorsales (~5-10 km — la lithosphère vient de se former et est encore chaude). Elle s’épaissit en s’éloignant de la dorsale, en refroidissant : elle peut atteindre 80-100 km au niveau des vieux bassins océaniques. L’épaississement est proportionnel à la racine carrée de l’âge de la lithosphère (loi empirique).
Lithosphère continentale : bien plus épaisse — en moyenne 100-200 km, pouvant atteindre 250-300 km sous les vieux cratons précambriens (ex. : craton d’Afrique de l’Ouest). Sa grande épaisseur lui confère une stabilité exceptionnelle.
4. Les séismes comme marqueurs de la lithosphère : le plan de Wadati-Benioff
Les séismes se produisent uniquement dans la lithosphère, qui se comporte de façon cassante. Au-delà de la base de la lithosphère (dans l’asthénosphère), il n’y a pas de rupture → pas de séismes.
Dans les zones de subduction (où une plaque océanique plonge sous une autre plaque), les séismes se distribuent le long d’un plan incliné appelé plan de Wadati-Benioff. Ce plan, qui peut s’enfoncer jusqu’à 700 km de profondeur, trace le contour de la plaque lithosphérique qui plonge (le slab). La présence de séismes profonds prouve que la plaque subduite est encore rigide (cassante) à ces profondeurs, même si elle traverse l’asthénosphère.
5. Argument scientifique : délimiter la lithosphère par les foyers sismiques
Question : Un document montre la distribution en profondeur des foyers sismiques dans une région océanique. Tous les séismes ont un foyer à moins de 80 km de profondeur. La profondeur maximale des foyers permet-elle d’estimer l’épaisseur de la lithosphère dans cette région ?
Données : Les foyers sismiques sont tous localisés entre 0 et 80 km de profondeur. Au-delà de 80 km, aucun séisme n’est enregistré dans cette région. La région est un bassin océanique ancien, loin de la dorsale d’origine.
Conclusion : Oui — la profondeur maximale des foyers sismiques est un marqueur de la base de la lithosphère. Les séismes ne se produisent que dans la lithosphère cassante. L’absence de séismes au-delà de 80 km indique que le comportement ductile de l’asthénosphère commence à cette profondeur. La lithosphère océanique dans cette région a donc une épaisseur d’environ 80 km, cohérente avec un bassin océanique âgé.
« Les séismes n’ont lieu que dans la lithosphère cassante. L’absence de foyers sismiques au-delà de 80 km de profondeur indique que la lithosphère s’arrête à cette profondeur et laisse place à l’asthénosphère ductile. L’épaisseur de la lithosphère dans cette région est donc estimée à ~80 km. »
🧠 À retenir absolument
- Lithosphère = croûte + manteau lithosphérique, comportement cassant → séismes. Épaisseur : ~80-100 km (océanique) à 100-250 km (continentale).
- Asthénosphère = manteau supérieur chaud et partiellement fondu, comportement ductile → pas de séismes.
- La profondeur maximale des foyers sismiques marque la base de la lithosphère.
- Plan de Wadati-Benioff = alignement des foyers sismiques dans le slab qui plonge en subduction.
❓ Questions fréquentes
Comment l’asthénosphère peut-elle être « solide » et se déformer à la fois ?
La distinction solide/liquide dépend de l’échelle de temps ! Sur des milliers d’années, les roches du manteau « fluent » (s’écoulent très lentement) sous l’effet de la chaleur et de la pression — comme du verre à haute température, qui est un liquide sur-refroidi. Sur des milliers d’années, le manteau se comporte comme un fluide très visqueux. Sur l’échelle humaine (secondes), ces mêmes roches sont rigides et transmettent des ondes sismiques comme un solide. C’est ce qu’on appelle la rhéologie dépendante du temps.
La lithosphère et l’asthénosphère ont-elles la même composition chimique ?
Oui, en grande partie ! La base de la lithosphère et l’asthénosphère sont toutes deux constituées de péridotite (roche du manteau supérieur, riche en olivine et pyroxène). La différence est mécanique, pas chimique : la lithosphère mantellique est froide et rigide, l’asthénosphère est chaude et ductile. La limite entre les deux est définie par une isotherme (~1 300 °C), pas par une discontinuité de composition.
Pourquoi des séismes peuvent-ils se produire à 700 km de profondeur dans les zones de subduction ?
En dehors des zones de subduction, les séismes sont limités à la lithosphère (max ~150-200 km de profondeur sous les continents). Mais dans les zones de subduction, la plaque océanique froide (le slab) plonge dans l’asthénosphère chaude. Cette plaque met des millions d’années à se réchauffer — pendant tout ce temps, elle reste assez froide et rigide pour se casser et produire des séismes. Les séismes à 400-700 km de profondeur (dits « profonds ») correspondent à des transformations minéralogiques sous pression (transition olivine-spinelle) dans le slab encore froid.
Quelle est la différence entre un séisme superficiel, intermédiaire et profond ?
On classe les séismes selon la profondeur de leur foyer : superficiels (0-70 km) — les plus fréquents et souvent les plus destructeurs ; intermédiaires (70-300 km) — dans le slab en subduction ; profonds (300-700 km) — dans les parties les plus profondes du slab. Les séismes profonds sont moins destructeurs car leur énergie se disperse sur une plus grande surface avant d’atteindre la surface. Le séisme le plus profond jamais enregistré a eu son foyer à ~700 km.
La lithosphère bouge-t-elle à la même vitesse partout ?
Non, les vitesses de déplacement des plaques lithosphériques varient de 1 à 15 cm/an. La dorsale médio-atlantique s’écarte à environ 2-3 cm/an, tandis que la plaque Pacifique se déplace vers le nord-ouest à 8-10 cm/an. Ces vitesses, minuscules à l’échelle humaine, représentent des dizaines de kilomètres sur un million d’années. Elles sont mesurées précisément par GPS (méthode géodésique spatiale) et confirmées par l’étude des anomalies magnétiques de fond des océans.